Tema 03: Sistemas de medida

1M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.comedfrancom@ipn.mx

@edfrancom edgardoadrianfrancom

Contenido• Sistemas de medida

• Error de medida

• Unidades funcionales de un sistema de medida• Adquisición de datos

• Acondicionamiento

• Sensores integrados

• Conversión analógica-digital

• Procesamiento de datos

• Distribución de los datos

• Sistemas de medida multicanal• Multicanal con un ADC por canal

• Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado)

• Arquitectura de los sistemas de instrumentación

• Arquitectura centralizada

• Arquitectura distribuida

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Sistemas de medida• Un sistema de medida electrónico es aquel equipo cuya finalidad es

obtener información acerca de un proceso físico y presentar dichainformación de forma adecuada a un observador o a otro sistematécnico de control.

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• Temperatura• Presión• Velocidad

• Luz• pH, etc

SISTEMA DE MEDIDA

• Visualización• Almacenamiento• Transmisión

ENTRADAS SALIDAS

OBJETO DE UN SISTEMA DE MEDIDA

• Existen multitud de magnitudes físicas a ser medidas :

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ezNaturaleza de la variable

Tipo de variable

Mecánica Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, par, presión, masa, flujo, etc.

Térmica Temperatura, calor, entropía, etc.

Magnética Campo magnético, flujo, permeabilidad magnética, etc.

Eléctrica Carga, corriente, tensión, resistencia, conductancia, capacidad, permitividad dieléctrica, polarización, frecuencia.

Óptica Rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, etc.

Química Humedad, pH, concentración iónica, análisis de gases, etc.

Biológica Proteínas, hormonas, antígenos, etc.

• Considerando el sistema de medida como una caja negra, laentrada sería el valor verdadero de la variable a medir y la salida,el valor medido.

• Solo en caso ideal, la diferencia entre ambos valores será nula, porlo que siempre contamos con un error de medida. Las causas deeste error son de origen diverso: ruido del sistema de medida,interferencias exteriores, desviaciones de los parámetros de loscomponentes, mala calibración, etc.

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Error de medida

• El error de medición se define como la diferencia entre el valormedido y el valor verdadero. Afectan a cualquier instrumento demedición y pueden deberse a distintas causas. Las que se puedende alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibracionesy compensaciones, se denominan determinísticos o sistemáticos yse relacionan con la exactitud de las mediciones. Los que no sepueden prever, pues dependen de causas desconocidas, oestocásticas se denominan aleatorios y están relacionados con laprecisión del instrumento.

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Unidades funcionales de un sistema de medida• En un sistema de medida se pueden distinguir tres funciones

principales: adquisición de datos, procesamiento de datos ydistribución de los datos.

• Adquisición de datos: La información de las variables a medir esadquirida y convertida en una señal eléctrica. De esta etapadependerá en gran medida las prestaciones del sistema de medida.

• Procesamiento de datos: Consiste en el procesamiento, selección ymanipulación de los datos con arreglo a los objetos perseguidos. Estafunción suele ser realizada por un procesador digital, tipomicrocontrolador, procesador digital de señales (Digital SignalProcessor DSP), etc.

• Distribución de los datos: El valor medido se presenta a unobservador (p.g, mediante un display), se almacena (p.g, en disco ochip de memoria)o se trasmite a otro sistema. 7

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SISTEMA DE MEDIDA

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENTO DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOSEntrada

(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

Unidades funcionales de un sistema de medida

Adquisición de datos

SensorAcondicion

amientoConversión

A/DEntradaSalida

Procesamiento de datos

Procesador

Distribución de datos

Conversión D/A

Acondicionamiento

Módulos de un sistema de medida

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SISTEMA DE MEDIDA

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENTO DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOSEntrada

(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

• La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en latoma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generardatos que puedan ser manipulados por un ordenador u otraselectrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto deseñales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas.

• Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal delsensor a niveles compatibles con el elemento que hace latransformación a señal digital (ADC).

Adquisición de datos

La adquisición de datos puede ser dividida en unidades funcionales:• Sensor• Acondicionamiento• Conversión A/D

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• La variable del mundo fisco es convertida a una señal eléctrica a través de unsensor. Con frecuencia, la señal procedente del sensor tiene características noaptas para ser procesadas: señal de muy baja amplitud, espectro grande, bajalinealidad, etc. Por ello la etapa de acondicionamiento de la señal (amplificación,filtrado, liberalización y modulación/demodulacion).

Adquisición de datos

SensorAcondicion

amientoConversión

A/DEntradaSalida

Procesamiento de datos

Procesador

Distribución de datos

Conversión D/A

Acondicionamiento

Acondicionamiento

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• Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal

• Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas

• Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con la variableque se desea medir

• Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de podertransmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente ainterferencias durante el transporte.

Acondicionamiento

Amplificación Filtrado Linealización

Señal del sensor

Señal para conversión digital

Modulación / Demodulación

Sensores integrados• Muchos sensores incluyen toda la circuitería de

acondicionamiento, dando lugar a sensores integrados, queincluso incluyen un conversor A/D que les permite proporcionaruna salida digital.

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Conversión analógica-digital• La conversión analógica-digital (ADC) consiste en la transcripción

de señales analógicas en señales digitales, con el propósito defacilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) yhacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otrasinterferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

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SISTEMA DE MEDIDA

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENTO DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOSEntrada

(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

• El procesamiento es la etapa en la que se realiza una manipulación matemática deuna señal digital. Este está caracterizado por la representación en el dominio deltiempo discreto, en el dominio frecuencia discreta, u otro dominio discreto deseñales por medio de una secuencia de números o símbolos.

• Esto se puede conseguir mediante un procesador o microprocesador que posee un juegode instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieranoperaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para elprocesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema quetrabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras provenientes de un conversoranalógico/digital (ADC). Se puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistemadigital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada ydigital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en procesador programablenecesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programaque ejecuta.

Procesamiento de datos

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SISTEMA DE MEDIDA

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENTO DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOSEntrada

(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

• La distribución de los datos implica codificar los datos procesados bajo algúnprincipio eléctrico hacia algún modulo capaz de presentarlos al usuario y/odistribuirlos a otros sistemas de medida y/o controladores.

Distribución de los datos

Sistemas de medida multicanal• Podemos realizar la medición de múltiples variables del exterior,

procesarlas y enviarlas a la salida, esto con fines de control,monitoreo, o telemetría avanzados.

• Podemos realizar la medición de múltiples entradas con sistemas:

• Multicanal con un solo ADC

• Multicanal con un ADC por canal

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Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado)

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• El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor,de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos dediferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidorestá midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima deconversión será la original dividida por el número de canalesmuestreados.

Sensor 1

Sensor 2

Sensor n

Acondicionador 1

Acondicionador 2

Acondicionador n

Mu

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Entrada 1

Entrada 2

Entrada 3

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• Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado)

• Ventajas

• Bajo costo

• Expansibilidad

• Desventajas

• Bajas frecuencias de muestreo

• Mayor procesamiento

• Un solo rango de conversión

• Una sola resolución

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Multicanal con un ADC por canal

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ez• Cada entrada analógica tiene su propio modulo de conversión adigital, es una arreglo de ADC’s individuales.

Sensor 1

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Acondicionador 2

Acondicionador n

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Entrada 1

Entrada 2

Entrada 3

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ADC 1

ADC 2

ADC 3

• Multicanal con un ADC por canal

• Ventajas

• Altas frecuencias de muestreo/variables

• Menor procesamiento

• Diferentes rangos de conversión

• Distintos niveles de resolución

• Desventajas

• Alto coste

• Poca expansibilidad

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Arquitectura de los sistemas de instrumentación• En un proceso de control, generalmente los instrumentos de

medida mantienen la información de múltiples medicionesde entrada. En tales casos puede adoptar dos arquitecturasbásicas:

• Arquitectura centralizada

• Arquitectura distribuida

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Arquitectura centralizada

• Se caracteriza por realizar el algoritmo de medición y control en elnúcleo inteligente, i.e. centralizadamente. Generalmente, seemplea en procesos de pocas variables y con distancias cortasentre los sensores y el núcleo inteligente. Sus desventajas son lanecesidad de mucho cable generalmente de alto coste y laselevadas exigencias sobre el sistema de acondicionamiento deseñales debido al ruido eléctrico presente.

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Núcleo inteligente

Sistema de medida

P R O C E S O

Sensor 1

Sensor 2

Sensor nActuador 1Actuador 2

Actuador n

Sistema de control

Valores medidos

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Valores consignados

Señales de los sensores

Señales demando

Arquitectura centralizada

Arquitectura distribuida• Es utilizada cuando el número de señales del proceso es muy

elevado, o su dispersión geográfica es muy grande y/o cuando lasexigencias dinámicas de las variables medidas son altas. Secaracteriza por poseer varios núcleos inteligentes sobre la basede microprocesadores, microcontroladores, que se comunicancon otros sistemas a través de un bus, con alta inmunidad alruido. El núcleo inteligente de segundo nivel, realiza las funcionesde organizador de la transferencia de información y ejecutaparcial o totalmente el algoritmo de control.

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Núcleo inteligente M

P R O C E S O

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Núcleo Inteligente

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Sensor 2Actuador

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Actuador n

Núcleo Inteligente

1

Núcleo Inteligente

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Núcleo Inteligente

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Arquitectura distribuida