Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Sistema de Medición MAYO 2004

Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y SensoresProf. José Andrickson Mora

Sistema de Medición

MAYO 2004



Un sistema de medición, es aquel conjunto de elementos que forma un instrumento, capaz de convertir una variable física en una señal o indicación a ser interpretada por el hombre con mayor facilidad. Se puede decir que un sistema instrumentado es una extensión de la habilidad del ser humano para medir y controlar su entorno

Los sistemas de mediciones componen el elemento fundamental de los sistemas de control.


Un sistema de control clásico a lazo cerrado se muestra en la figura, en donde el transductor posee un acondicionador y de esta manera se podría hablar de un sensor, en muchos casos se necesitan de varias etapas de acondicionamiento en los sistemas de medidas y es cuando existe un pre-acondicionamiento, cuando se habla de transductores como sensores.

Un transductor o sensor nos sirve para poco, si no tenemos algún sistema adicional que nos ayude a tomar decisiones en función a las medidas que proporciona.


Lazo de Control


Un transductor es un elemento encargado de convertir una variable física en otra, la forma mas común es convertir una variable mecánica (presión, velocidad, posición) en una variable eléctrica (voltaje, corriente o impedancia). Por lo que puede entenderse como un convertidor

Transductor


Los procesos de medición, necesitan de un elemento sensor, para poder medir el cambio de la variable física deseada. El elemento sensor actúa como los sentidos del ser humano, son capaces de detectar cambios de una variable determinada, en muchos de los caso con una precisión mucho mayor.

Sensor

Los sensores pueden ser clasificados en digitales o analógicos, y según su función de transferencia (relación entrada / salida)


El elemento acondicionador toma la señal medida por el sensor y la convierte en una señal mas adecuada para ser procesada. Los acondicionadores, son subsistemas activos, es decir, toman energía de una fuente externa para amplificar y manipular la variable o señales que entran a ellos.

Acondicionador


Se denomina señal a toda aquella muestra física que puede ser medida, ya sea variable o constante en el tiempo. La principal distinción eléctrica se hace entre dinámica (corriente alterna ó AC) ó estática (corriente continua ó DC). A la vez las señales alternas, pueden estudiarse tanto en el tiempo como en la frecuencia. Por otra parte para el estudio de las señales continuas en el tiempo se clasifican en continuas y discretas, como se muestra en la figura.

Tipo de señales

Es bueno notar que la señal que entrega el transductor puede ser una resistencia, un nivel de voltaje o de corriente. En la mayoría de los casos se desea que la señal entregada por el transductor sea tensión.


Señales estáticas: Son señales que su valor permanece constante en el tiempo o que su variación en el tiempo es muy pequeño con respecto a los valores deseados para la su medida, como por ejemplo presión atmosférica, temperatura ambiente.

Señales dinámicas:

Dominio del tiempo (analógicas): Aceleración o desaceleración de la vibración de un cojinete, presión interna en el cilindro de un motor.

Dominio del tiempo (Digital): posición medida a través de un codificador incremental, valor eficaz del nivel de tensión del control de un dispositivo de control todo-nada (ON-OFF).

Domino de la frecuencia: muestreo de una señal, analizando su ancho de banda y frecuencia central.

Tipo de señales


Tipo de señales


Controlador

Es el encargado de tomar la señal proveniente del acondicionador y operar sobre ella, con el fin de procesarla con mayor facilidad. Este dispositivo se encarga de coordinar todas las operaciones preestablecidas por el usuario u operador. Los controladores son de tipo analógicos o digitales, de acuerdo a la manipulación de la información. Otra de las funciones del elemento controlador es el enviado al indicador.

IndicadorEste elemento es el que presenta al ser humano (usuario) la medida de la variable física que esta siendo capturada por el sistema de medición. Los indicadores pueden ser analógicos (generalmente de agujas, plumas entre otros) o digitales (pantallas de cristal, display, entre otros).



Según sus Características Eléctricas:

Activos: Ellos mismos son capaces de generar la energía necesaria para ser medida e interpretada por el acondicionador.

Pasivos: Estos requieren una alimentación externa para poder generar la señal que será medida por el acondicionador.

Clasificación de los

Sensores


Según sus características físicas

Los sensores se clasifican de acuerdo a la propiedad física que produce la excitación que es medida por el acondicionador.

Sensores basados en resistencias eléctricas: Potenciómetros, galgas extensiométricas, termoresistencias y termistores.

Sensores basados en variación de inductancias: por cambio de reluctancia (RVT), acoplamiento magnético (LVDT) o por modificación de permeabilidad por tensión mecánica (efecto magnetoelastico o magnetostricción)

Sensores basados en variación de capacitancia: por cambio de dimensión de las placas capacitivas o por modificación del dieléctrico entre las placas.

Sensores basados en variación por calentamiento: Producen energía al someter dos metales unidos en un extremo a una temperatura diferente al extremo de medición. Basados en el efecto de Peltier, Seebeck y Thomson.

Sensores basados en efectos piezoeléctricos: producen una tensión eléctrica al ser sometidos a una presión mecánica.

Clasificación de los

Sensores


Según la magnitud a medir.Otra forma de clasificarlos es según la magnitud a medir

Medida de desplazamiento relativo: Los transductores para la medición de pequeños desplazamiento.

InductivosCapacitivosPotenciómetros

Medida de desplazamiento sin contacto: Los sensores inductivos poseen gran capacidad de medida sin contacto, miden pequeños desplazamiento y son muy sensibles. Sin embargo su respuesta es no lineal.

Medida de fuerza: Una de las formas más comunes de hacer la medición de fuerza es de forma indirecta. Los elementos mas utilizados para la medición de fuerzas son las galgas extensiométricos y los LVDT.

Medida de pares: puede hacerse pegando sobre el mismo cuatro galgas extensiométricos, una en cada rama de un puente de Wheatston. Las galgas que formen un ángulo de 45° con la sección recta.



Exactitud

Es la conformidad de un valor indicado con respecto a un valor real. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe asumirse como “exactitud de referencia”. Esta describe la desviación con respecto a un valor verdadero cuando el instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia, e incluye la combinación de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad.

Características estáticas de los elementos de un sistema de

instrumentación electrónica.


Alcance o Rango

El alcance de entrada de un elemento se especifica con los valores mínimo y máximo de la entrada (I) es decirle valor de IMIN a IMAX. El alcance de salida se especifica con los valores mínimo y máximo de la salida (O) es decir los valores OMIN a OMAX. Así un transductor de presión puede tener un alcance de entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20 mA; un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 oC y un alcance de salida 4 a 10 mV.




Intervalo o Span

El intervalo es la variación máxima en la entrada o en la salida, es decir, el intervalo de entrada es IMAX - IMIN y el intervalo de salida OMAX - OMIN. Así, por ejemplos, un transductor de presión tiene un intervalo de entrada de 10 N y un intervalo de salida de 16 mA; Otro ejemplo es el de un termopar que puede tener un intervalo de entrada de 150 oC y un intervalo de salida de 5 mV, es bueno notar que de acuerdo a la referencia, se pude tener desplazada la salida. Como se muestra en la figura.




Curva de Calibración

Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición son las curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y viceversa si es necesario.

Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor o transductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración, en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta en amplitud.




Linealidad

Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A(IMIN, OMIN) con el punto máximo B(IMAX, OMAX). La ecuación de la línea recta es:


instrumentación electrónica. )( min

minmax

minmaxmin II

II

OOOO

aKIOIdeal

minmax

minmax

II

OOK

)()()( aKIIOIN

100)(

(%)minmax

xOO

INN


Sensibilidad

Es la señal mínima a la cual el instrumento responde, indicando un cambio en la variable de medición. Si el instrumento no responde a un cambio pequeño se dice que tiene una zona o banda muerta. En la figura se muestra cual es la sensibilidad de salida de un instrumento con respecto al cambio de la señal de entrada.



En la figura podemos observar una banda muerta, que es el rango a través del cual un cambio en la señal de entrada no produce un cambio en la señal de salida.


Histéresis

Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace con los datos de subida y los datos de bajada en la entrada), al representar gráficamente los datos de la medida del transductor (variable de salida o variable eléctrica), tendremos la representación de dos curvas de salida, una de subida y otra de bajado. Idealmente deberían ser iguales la curva, a la diferencia entre estas dos curvas se define como la histéresis. En la figura se muestra la curva de histéresis de un sistema de medición.



100*%minmax OO

OOH


Todo sistema de medida posee una señal de entrada y una señal de salida. A la función que describe la relación entre la entrada y la salida, que es el mismo sistema de medición, se le llama función de transferencia G(s).

La función de transferencia de un sistema puede ser de orden cero, primer orden, segundo orden y orden superior. De acuerdo al orden del denominador de la función, a éste se le llama ecuación característica, ya que va a definir el comportamiento del sistema de medición.

Características dinámicas de

los sistemas de medición

En el Dominio del Tiempo Función de Transferencia G(s)

Orden Cero

1er Orden

2do Orden

)()( tKxty

)()()(

01 txtyadt

tdya

)()()()(

012

2

2 txtyadt

tdya

dt

tyda

ksX

sY

)(

)(

1)(

)(

s

k

sX

sY

22

2

2)(

)(

nn

n

ss

k

sX

sY


La forma más utilizada para el calcular de la función de transferencia de un sistema, es haciendo su analogía eléctrica. Una vez que se tiene representado el circuito en su equivalente eléctrico, se procede a calcular la función de transferencia del circuito. Veamos el ejemplo para el circuito RC mostrado en la figura



sCR

sCR

sV

sVsF

i

1)(

)()( 0




Análisis del circuito RC


Respuesta en frecuencia.

Consiste en analizar como varia la sensibilidad del transductor en función a la frecuencia de la variable de entrada, de lo cual por lo cual es evidente que lo deseable es trabajar siempre en la zona plana, donde la sensibiliza es independiente de la entrada, para de esta manera asegurar una respuesta lo mas lineal del transductor. En muchos casos se trata respuesta en frecuencia al margen en el cual la sensibilidad permanece constante. La figura muestra una forma típica de una curva de respuesta en frecuencia.




Respuesta en Fase.

En muchos casos, la salida proporcionada por un transductor, viene acompañada con un desfase con respecto a la señal de entrada. A la variación del desfase con respecto a la frecuencia se le denomina respuesta en fase

Los problemas de desfase se presentan cuando se mide una señal periódica no senoidal, es decir compuesta por muchos armónicos. En estos casos es fundamental que la respuesta en fase sea lineal, es decir:



k


Para ilustrar esto haremos el análisis para un señal mecánica f(t) que se puede descomponer en Características

dinámicas de los sistemas de

medición La salida que producirá un transductor de sensibilidad S y su respuesta en fase lineal será

)()()()()( 2121 tsentsentftftf

)()()(*)(*)(

)(*)(*)(

2121

2211

tsentsenSktSsenktSsenStO

ktsenSktsenStO

La respuesta en fase lineal se da para un tiempo fijo de k, por otro lado, el desfase nulo es valido, sin embargo un desfase constante no es valido, como se muestra a continuación

2

0

1

0

2

02

1

010201 )()(

dondedetsentsentsentsen

Respuesta en Fase.


En la figura se muestra la respuesta en fase lineal y fase constante de una señal mecánica con armónicos de 5 Hz y 10 Hz. Características

dinámicas de los sistemas de

medición

Respuesta en Fase.


Tiempo de establecimiento.

Es el tiempo necesario para que las oscilaciones de la salida se mantengan dentro de un rango alrededor del valor final, de acuerdo al sistema los límites están entre 2% y 5% del valor final.




Variable medida: Es una cantidad física, propiedad o condición que esta siendo medida. Ejm: Temperatura, Flujo, presión, etc...

Señal medida: Es una variable eléctrica, mecánica, neumática u otra, aplicada a la entrada de un equipo.

Señal de Entrada: Una señal aplicada a un dispositivo o sistema

Señal de Salida: Una señal entregada por un dispositivo o sistema.

Elevación de cero: Es la cantidad con la cual el valor cero de la variable medida supera al valor inferior del rango. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span o rango.

Supresión a cero: Es la cantidad con la cual el valor inferior del rango supera al valor cero de la variable medida. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span o rango.

Rango con elevación de cero: Es el rango de medida en el cual valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del rango.

Rango supresión de cero: Es el rango en el cual el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del rango.

Términos relacionados con el campo de medida


Algunas de las características estáticas mas importantes son:

Error estático: Es la diferencia algebraica entre el valor indicado por el instrumento y el valor real de la señal medida. Un error positivo indica que la medición indicada por el instrumento es mayor que el valor real.

Repetibilidad: La repetibilidad de un instrumento es el grado de igualdad con que un valor dado puede ser repetidamente medido. Puede especificarse en términos de unidades por un periodo de tiempo dado o por porcentaje de span. Un instrumento que tiene una repetibilidad perfecta es que no tiene desviación, o sea, su calibración no varia gradualmente en un periodo de tiempo largo.

Desviación: Significa una separación gradual del valor medido con respecto al valor calibrado, generalmente después de un largo intervalo de tiempo durante el cual el valor de la variable no cambio.

Corrimiento (Drift): Es cuando ocurre un cambio en la relación de entrada-salida de un instrumento sobre un periodo de tiempo. Una repetibilidad perfecta significa que el instrumento no tiene corrimiento.

Términos relacionados

con las características estáticas del instrumento.


Aplicaciones.

Los transductores son aplicados en un amplio campo de actividades en la industria y en la investigación. Sus aplicaciones se pueden resumir en:

• Monitoreo de procesos que proporcionan datos en línea, lo que permiten al operador (maquina o humano) hacer ajustes y control del proceso.

• Control de procesos automáticos: sistema a lazo cerrado.

Condiciones resaltantes para

los transductores y/o sensores


Características operativas.

En general, un transductor debe tener las siguientes características:Intercambiable

• Exacto sobre un amplio rango de temperatura.

• Medir con exactitud la magnitud de la variable

• Reproducir con exactitud el evento físico en función del tiempo

• Reproducir la salida con exactitud en ambientes extremos de humedad, temperatura, choque o vibración.

• Proveer una señal compatible con el acondicionador de señal.

• Ser robusto y simple, de modo de ser usado por personal sin experiencia.




Tendencias actuales del diseño de los transductores

• Transductor y acondicionador de señal en un solo dispositivo. •Reducir costo y tamaño

• Sensores digitales (pulso de salida), directamente compatible con el computador.

• Integración a bus de campo

• Inteligencia asociada a ellos mismos y el proceso




Factores importantes

para la selección de un

sensor

Magnitud a Medir Características Ambiente

Margen de medida Margen de temperatura

Resolución Humedad

Exactitud deseada Vibraciones

Estabilidad Agentes químicos

Ancho de banda Atmósfera explosiva

Tiempo de respuesta Entorno electromagnético

Limites absolutos de la magnitud a medir

Magnitudes interferentes

Características de salida Características de Alimentación

Sensibilidad Tensión

Tipo: tensión, corriente, frecuencia Corriente

Salida señal: unipolar, flotante, diferencial Frecuencia (en caso de alterna)

Impedancia (I/O) Potencia disponible

Destino: analógico, digital, telemetría Estabilidad




sensor

Otros factores para la selección del sensor

Peso Longitud de cable necesario

Dimensión Tipo de conector

Vida media Situación en caso de fallo

Precio de compra Costo de mantenimiento

Disponibilidad Consto de instalación

Tiempo de Instalación Costo de sustitución




sensor

Cantidad Nombre de la Unidad Símbolo

Longitud metro m

Masa kilómetro kg

Tiempo segundo s

Corriente eléctrica ampere A

Temperatura termodinámica kelvin K

Cantidad de sustancia mole mol

Intensidad lumínica candela cd

Angulo Plano radian rad

Angulo sólido steradian sr

Sistema Internacional de Unidades (SI).

La conferencia general de pesas y medidas han propuesto un sistema de unidades (SI) que sustituyen a los sistemas c.g.s y M.K.S. El sistema consta de siete unidades básicas y dos complementarias, las cuales se muestran en la tabla


Bibliografía

•Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega. Barcelona, España. 1993. Pág. 732

•John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA

•Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas Venezuela. 1995. Pag. 285.

•Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480.

•National Instrument “Software advance in Measurements and Instrumentation”, Octubre, 1992. Part Number 350107-01.

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