sistemas de instrumentación: analogico y digital
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Sistemas de Instrumentación analógico y digital
Sistema de instrumentación analógica
Son aquellos cuya señal varía de forma continua y mantiene una
relación fija con la entrada.
La utilización de instrumentos análogos en la actualidad esta muy
extendido, a pesar de que los instrumentos digitales crecen de manera
exponencial en número, versatilidad y en aplicaciones. Es lógico
todavía pensar en que los instrumentos analógicos se sigan utilizando
durante los próximos años y que para algunas aplicaciones no puedan
ser sustituidos.
Los instrumentos análogos se pueden clasificarse según algunos
autores así:
a. Instrumentos en los que se utilizan el movimiento de una bobina
móvil como elemento sensor. (Bobina móvil y hierro móvil).
b. Instrumentos que se utilizan en un tubo de rayos catódicos
(C.R.T) como medio de visualización.
c. Instrumentos que utilizan cintas magnéticas como medio de
almacenamiento (registro)
Para nuestro causo de estudio solo trataremos el osciloscopio, debido
al gran avance de las bases de datos, las redes de computo entre
otros.
El osciloscopio
Es un instrumento electrónico muy utilizado para la medición y análisis
de señales. En la actualidad están siendo remplazados por los
osciloscopios digitales, los analizadores de líneas y las tarjetas de
adquisición de datos. Su principio de funcionamiento consiste en un
haz electrónico que se traza sobre una pantalla con recubrimiento
fosforado llamada tubo de rayos catódicos.
La pantalla tiene la forma de un gráfico bidimensional que muestra
cómo la señal varía con el tiempo o con alguna otra señal. El
osciloscopio puede ser asimilado como un voltímetro, pero existen
componentes adicionales que lo hacen ver como algo más que un
voltímetro con pantalla.
Un osciloscopio básico cuenta con las siguientes componentes:
Sistema de visualización. Tubo de rayos catódicos que convierte las
señales de deflexión vertical y horizontal en desplazamiento de un
punto fluorescente en la pantalla.
Sistema de deflexión vertical: Entrada que produce una deflexión en la
pantalla en la dirección vertical.
Sistema de deflexión horizontal: Entrada externa que produce una
deflexión en la pantalla en la dirección horizontal o una señal de base
de tiempos interna con una deflexión a velocidad constante que cruza
la pantalla en la direccional horizontal.
Sondas: conexión externa del osciloscopio para la adquisición de la
señal a analizar.
Fuente de alimentación.
Un sistema de Instrumentación digital esta estructurado como se
muestra en la siguiente figura 1
Figura 1. Sistema de Instrumentación digital
El sistema general de instrumentación consta de 6 niveles a saber:
Sensores
Acondicionamientos de señales
Digitalización y multiplexación
Procesamiento, análisis y control
Redes de comunicación
Actuadores
La instrumentación y la teoría de control basan sus desarrollos en la
necesidad de adquirir señales que provienen del medio con el fin de
ser procesadas y analizadas.
Siempre será conveniente que el ingeniero integrador de sistemas
tenga presente que toda instrumentación comienza con el sensor, un
buen conocimiento de estos traerá como consecuencia proyectos
seguros, óptimos y rentables.
En sensor tiene como función básica adquirir señales provenientes de
sistemas físicos para ser analizadas, por lo tanto se podrán encontrar
en el medio tantos sensores como señales físicas requieran ser
procesadas.
El sensor es por lo tanto un convertidor de energía de un tipo en otro.
Los más comunes de las conversiones son a energía eléctrica,
mecánica o hidráulica. Los sensores que convierten una señal física
cualquiera a una eléctrica son generalmente llamados sensores. Los
que convierten una señal eléctrica en otro tipo de señal son
denominados actuadores. Algunos autores llaman a los primeros
transductores de entrada y a los segundos transductores de salida.
Sien embargo la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), define
el sensor como sinónimo de transductor.
www.isa.org
El estándar S37.1 de 1969 define el transductor (sensor) como un
dispositivo que provee una salida eléctrica en respuesta a una medida
especifica.
SENSOR PRIMARIO
Un sensor en sentido general puede contener varias etapas de
transducción, denominándose sensor primario al sensor que interviene
en la primera etapa de transducción.
Figura 2. Diagramas de bloques de un sensor con varias
etapas de transducción
Los sensores primarios pueden clasificarse según la magnitud de
entrada que detecten así:
Sensores de temperaturas: Bimetales
Sensores de Presión: Manómetros de columna de liquido- Tubo
en U
Sensores de flujo y caudal: Tubo de Pitot en canal abierto y
cerrado, caudalimetros de obstrucción, Caudalimetro de área
variable –rotámetro-, vertederos de aforo con escotadura
rectangular.
Sensores de nivel: Sensor de nivel basado en un flotador, de
presión diferencial, de burbujeo y medida de presión diferencial.
Sensores de fuerza y par, balanzas, muelles con deflexión lineal
angular.
Materiales empleados en sensores
En el comercio existe una gran cantidad de materiales para el diseño
de sensores de todo tipo, incrementándose día a día por la carrera
investigativa por descubrir nuevo y mejores materiales.
Conductores, semiconductores y dieléctricos
Basan su principio de funcionamiento en la variación de la
conductividad y algunos en la variación de las propiedades
magnéticas.
Sistema a Físico
Primer nivel de
transducción
Sensor - Primario
Niveles de
Transducción
Secundarios Señal de
Salida
Los conductores: Pueden ser de dos tipos: los metálicos y los iónicos
que son los electrolitos (Soluciones de ácidos, bases o sales) que se
utilizan como electrodos y catalizadores de reacciones químicas.
Semiconductores: En las últimas décadas los sensores basados en
semiconductores han tenido su mayor auge. Ahora bien, dependiendo
del grado de impurezas con que se dopen los sustratos estos variarán
en mayor o menor grado su conductividad eléctrica frente a cambios
de: temperatura, deformaciones mecánicas, intensidad luminosa,
campos eléctricos, campos magnéticos, radiaciones nucleares,
radiaciones electrónicas, entre otros.
Son ejemplos de semiconductores empleados en la fabricación de
sensores los siguientes:
Silicio, AsGa, SbIn, SCd, SPb, SePb
Los dieléctricos se emplean como elementos detectores, por ejemplo
en condensadores variables donde la composición afecta la constante
dieléctrica.
Existen dieléctricos cuya constante dieléctrica y conductividad son
afectadas por la humedad (materiales higroscópicos que son los que
tienen la propiedad de absorber y exhalar la humedad según las
circunstancias que lo rodean).
Pero la aplicación mas importante de los dieléctricos en sensores son
las cerámicas, los polímeros orgánicos y el cuarzo, estos podrían ser
utilizados para la detección de gases, humedad, calor, aceleraciones y
oxigeno.
Materiales Magnéticos
Los sensores basados en materiales magnéticos tienen como principio
de funcionamiento su permeabilidad magnética, estos a su vez pueden
ser divididos en materiales ferromagnéticos (hierro, cobalto y níquel) y
ferromagnéticos (ferritas).
Las propiedades magnéticas de estos materiales pueden ser
aprovechadas en la elaboración de algunos tipos de sensores
(sensores basados en corrientes de Foucault, transformadores
diferenciales, transformadores variables, transformadores sincrónicos,
sensores magneto elásticos, sensores basados en efectos Wiegand,
sensores basados en al ley de Faraday, etc.)
A pesar de que pueden existir decenas de clasificaciones para los
sensores, tomaremos a manera de guía las siguientes.
Atendiendo al tipo de señal de entrada
Los sensores pueden ser clasificados dependiendo del tipo de señal al
cual responden.
Mecánica: Ejemplos: longitud, área, volumen, masa, flujo, fuerza,
torque, presión, velocidad, aceleración, posición, acústica, longitud de
onda, intensidad acústica.
Térmica: Ejemplos: temperatura, calor, entropía, flujo de calor.
Eléctrica: Ejemplos: voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia,
capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico,
frecuencia, momento dipolar.
Magnética: Ejemplos: intensidad de campo, densidad de flujo,
momento magnético, permeabilidad.
Radiación: Ejemplos: intensidad, longitud de onda, polarización, fase,
reflactancia, transmitancia, índice de refractancia.
Química: Ejemplos: composición, concentración, oxidación/potencial
de reducción, porcentaje de reacción, PH.
Atendiendo al tipo de señal entregada por el sensor
Sensores análogos. La gran mayoría de sensores entregan su señal
de manera continua en el tiempo. Son ejemplos de ellos los sensores
generadores de señal y los sensores de parámetros variables.
Sensores digitales. Son dispositivos cuya salida es de carácter
discreto. Son ejemplos de este tipo de sensores: codificadores de
posición, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los
sensores autoresonantes (resonadores de cuarzo, galgas acústicas,
cilindros vibrantes, de ondas superficiales (SAW), caudalimetros de
vórtices digitales), entre otros.
Atendiendo a la naturaleza de la señal eléctrica generada.
Los sensores dependiendo de la naturaleza de la señal generada
puede ser clasificados en:
Sensores pasivos:
Son aquellos que generen señales representativas de las magnitudes
a medir por intermedio de una fuente auxiliar. Ejemplos: sensores de
parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable,
de inductancia variable).
Sensores activos o generadores de señal:
Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes
a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de
alimentación. Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos,
termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos.
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