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Interfases y Transductores

Sistemas de Medida

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Esquema

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Sistemas de medida

•  Sensor: Este elemento extrae la información referida a una propiedad del sistema físico dando una señal que tiene una relación de transferencia respecto a la propiedad a medir.

•  Acondicionador: Encargado de transformar la señal del sensor en otra de tipo electrónico (corriente, tensión, frecuencia) que sea más fácilmente tratable para las etapas de procesamiento.

•  Transmisión: Función en el sistema de medida consistente en la interconexión de las diferentes etapas con objeto que circule la información a su través.

•  Adquisición: Consiste en retener y codificar la información de forma conveniente para su tratamiento posterior.

•  Procesamiento: Consiste en extraer de la señal adquirida la información que se quiere presentar. En función de la complejidad de esta información será necesario utilizar un procesamiento analógico o digital.

•  Registro: Las señales pueden ser registradas para su uso inmediato o para un tratamiento posterior.

•  Representación: Es la interfaz entre el sistema de medida y las facultades de percepción humanas. En ella, las unidades de representación visual analógica o digital, los monitores, registradores etc., son típicos representantes de esta función.

•  Alimentación energética: Encargada de suministrar el consumo energético del sistema de medida. Es una etapa alejada del proceso de medición y que suministra de forma estable y precisa el consumo energético requerido para el sistema de medida.

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Transductores

•  El proceso de transducción siempre consume energía del sistema que se mide pero no debe afectarle.

Tipos de señales: • mecánicas •  térmicas • magnéticas •  eléctricas •  ópticas • moleculares (químicas)

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Uso de señales eléctricas

•  La estructura eléctrica de la materia. •  Se puede amplificar fácilmente la señal lo que implica

poca extracción de energía del sistema. •  Gran variedad de recursos para tratar la señal. •  Gran variedad de recursos para presentar la señal. •  Mayor versatilidad de transmisión de la señales

eléctricas, aunque hay casos en que el entorno no las permite (pocas).

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Criterios de clasificación

Basado en la variable física:

•  Temperatura •  Flujo •  Presión •  Nivel •  Posición

Basado en el parámetro modificado en el sensor:

•  Resistencia variable •  Reactancia variable •  Generadores

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Dominio

•  Eléctricos. – Analógico.

• Amplitud: Tensión, intensidad, carga. • Relación temporal: Frecuencia, fase, anchura de pulso.

– Digital: Valor numérico codificado.

•  No eléctrico. – Físico. – Químico.

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Clasificación

• Aporte de energía necesario para producir la señal de salida – Moduladores o activos. Necesitan un

aporte de energía que es modulada en función de la señal de entrada

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Clasificación

• Generadores o pasivos. La salida se produce haciendo uso solamente de la energía que se obtiene de la señal a medir.

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Clasificación

•  Naturaleza de la señal de salida –  Analógicos. Producen una

salida que varía de forma continua y la información normalmente viene dada por la amplitud de la señal, aunque en algunos casos la información se codifica en forma de frecuencia.

–  Digitales. La información viene codificada en algún código binario por lo que no es necesario realizar el proceso de conversión A/D para el procesamiento.

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Clasificación

•  Modo de operación –  De deflexión. La

magnitud física a medir produce algún efecto similar en el sensor pero opuesto y que puede ser medido de forma fácil.

–  De comparación. Se intenta es eliminar la deflexión que produce la magnitud medida mediante un efecto bien conocido.

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Sensor Utilidad / Características Rotación y desplazamiento lineal

Codificadores ópticos (encoders) Usados para medir posición rotatoria absoluta o incremental. Sensores de efecto Hall No requieren de un contacto físico para la medición. Sensor capacitivo Usados para medir nivel de liquido, detectar presencia, etc. Giroscopio Medir velocidades angulares. Acelerómetro Cambio de velocidad. Sensores piezoeléctricos Para medir fuerza. Sensores de contacto Interruptor.

Sensor de temperatura Termopares Son de bajo costo y son usados para medir altas temperaturas. Termistor Alta sensibilidad en rangos de temperatura superior a 100°C.

RTD (Resistor Temperatura Detector) Respuesta lineal y alta sensibilidad. Infrarrojo Sensor de no contacto, usado para altas temperaturas.

Sensor de proximidad Inductivos, efecto Hall, fotoeléctrico,

capacitivo, etc. Robustos y no requieren contacto físico. Sensores de materiales especiales

Fibra óptica Usados como sensores de fuerza, nivel de liquido, temperatura, etc. Piezoeléctricos Usados como sensores de fuerza, aceleración, etc.

Micro y Nano sensores Sensor CCD para cámara Tamaño pequeño y alta resolución en imágenes. Sensor micro ultrasónico Usado para detectar fallas en tuberías pequeñas.

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Características Estáticas

Curva de Calibración •  Relación entre la entrada al sensor y su salida en

régimen estático •  Para definir correctamente la curva es necesario

definir: –  Forma –  Límites:

•  Rango: Conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior

•  Fondo de escala: Diferencia entre los límites superior e inferior de medida

•  Salida a fondo de escala: Diferencia entre las salidas para los extremos del rango

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Características Dinámicas

•  Respuesta del sensor mientras se produce un cambio en la magnitud de interés. Normalmente se estudia la respuesta de los sensores con respecto a un conjunto estándar de posibles cambios en la entrada:

Escalón Rampa Senoidal

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Clasificación

• La clasificación de los sensores de acuerdo a las características dinámicas: – Sensores de orden cero. – Sensores de primer orden. – Sensores de segundo orden.

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Sensores de orden cero

• Tanto el error dinámico como el retraso en la salida con respecto a los tres cambios posibles es nulo.

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Sensores de orden uno •  Existe un retraso en la salida con respecto a la

entrada en escalón y rampa. •  Para las entradas senoidales el retraso es función de

la frecuencia •  El error dinámico es nulo para escalón y no nulo para

rampa y senoidal.

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Sensores de orden dos

• Respuesta más compleja.

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Telemetría

•  Puede ser necesario enviar las señales procedentes de los sensores a una localización alejada donde se procesa o presenta, en este caso se tiene un sistema de telemetría.

•  Soporte: –  Distancias cortas: sistemas hidráulicos, neumáticos o

eléctricos. –  Distancia medias-altas: transmisión de señales por cable. –  Distancias muchísimo mayores/inaccesibilidad: transmisión

vía radio.

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Telemetría

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Acondicionamiento

•  En distancias cortas puede utilizarse la misma señal que proporciona el sensor para la transmisión.

•  Para mayor alcance es necesaria una etapa de codificación (datos digitales) o modulación (señal analógica) en el emisor y de decodificación/demodulación el receptor.

•  Vía radio es necesario realizar una modulación en una señal portadora y la demodulación en el lado de la recepción.

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Transmisión por voltaje •  Convertir la información medida por los sensores a

un voltaje proporcional al valor de la medida, conectar dos cables y medir en el receptor.

•  Distancia: depende de la resistencia de la línea. •  Interferencias: voltajes parásitos (campos

electromagnéticos)

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Transmisión por corriente •  Convierte la magnitud medida a una corriente

proporcional (4-20 mA) a dicha magnitud. En el receptor se hace circular esta corriente por una resistencia de un valor conocido y se mide la caída de tensión que se produce.

•  Interferencias: No afectan las tensiones inducidas. •  Costo menor.

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Transmisión por señales periódicas

•  Frecuencia proporcional al valor de la magnitud.

•  Mayor inmunidad al ruido.

•  Precisa circuitos de conversión.