Introduccion Instrumentación

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<ul><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 1/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>TEMA 1: INTRODUCCIN A LAINSTRUMENTACIN1. Introduccin .............................................................................................................. 12. Conceptos bsicos ..................................................................................................... 1</p><p>3. Diagrama de bloques de un sistema de instrumentacin........................................... 2Transductor................................................................................................................ 2Acondicionamiento de seal ..................................................................................... 3</p><p>Almacenamiento........................................................................................................ 3Fuente de alimentacin.............................................................................................. 3</p><p>4. Aplicaciones.............................................................................................................. 4</p><p>Monitorizacin de procesos y operaciones ............................................................... 4Control de procesos y operaciones............................................................................ 4</p><p>Anlisis experimental................................................................................................ 4</p><p>5. Proceso de medida. Calibracin................................................................................ 5Calibracin ................................................................................................................ 6</p><p>Mtodos de medida ................................................................................................... 7</p><p>6. Caractersticas metrolgicas y no metrolgicas........................................................ 7</p><p>1. Introduccin</p><p>Con el contenido de este tema se</p><p>pretende introducir al lector en losprimeros conceptos sobre los sistemas</p><p>de instrumentacin. Adems, con estetema, se trata de dar una panormica</p><p>general con la que poder vislumbrar</p><p>los contenidos de los temasposteriores. El tema est estructurado</p><p>de la siguiente forma. En primer lugar,se definen conceptos muy genricossobre la instrumentacin, qu es la</p><p>instrumentacin, qu es la medida, cules la finalidad de estos sistemas.</p><p>Seguidamente se ver cmo es un</p><p>diagrama de bloques del sistema deinstrumentacin, se ver de qu est</p><p>compuesto, incluyndose una breve</p><p>descripcin de los elementos que loconstituyen. En un siguiente apartado,</p><p>se har una lista de las principaleslneas de aplicacin de estos sistemas.</p><p>Se finalizar el tema haciendo unabreve introduccin al proceso demedida y las distintas tcnicas de</p><p>medida que existen.</p><p>2. Conceptos bsicos</p><p>La instrumentacin es una disciplinade la ingeniera y de la ciencia que</p><p>abarca reas tales como la deteccin,adquisicin, control y anlisis de datos.</p><p>Instrumento es algo de lo que nosvalemos para conseguir un fin, ennustro caso el fin es la medida. En lo</p><p>sucesivo, cuando hablemos deinstrumento, nos referiremos a</p><p>instrumento electrnico de medida.</p><p>La medida es una forma de aprenderacerca de los objetos que nos rodean de</p><p>manera cuantitativa. Estos objetos son</p><p>muy diversos y presentan un nmeroilimitado de propiedades fsicas como</p><p>puede ser el color, peso, tamao, etc.Cuando el experimentador se propone</p><p>obtener informacin acerca de objetos</p><p>particulares, selecciona un limitadonmero de propiedades que son</p><p>comunes al rango completo de objetos</p><p>que conoce. A estas propiedades, se lesdenomina magnitudes fsicas. Aqu, el</p><p>trmino magnitud fsica se refiere atodas las propiedades estudiadas, no</p><p>solo en el campo de la fsica, sino enotros campos de la ciencia y latecnologa, qumica, biolgica,</p><p>econmica, etc. Estas propiedades</p><p>pueden ser adquiridas de dichosobjetos debido a que se manifiestan</p><p>mediante distintas formas de energa.La cantidad de energa que identifica</p></li><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 2/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>una determinada magnitud fsica, esdecir, el valorde dicha magnitud fsicaestar expresado en un determinado</p><p>sistema de unidades. En lo sucesivo, setratar de utilizar el Sistema</p><p>Internacional como sistema derepresentacin de estas magnitudes.Durante el proceso de medida, a estos</p><p>sistemas se les denomina sistema bajopruebas, en la nomenclaturaanglosajona, se les conoce por Device</p><p>Under Test (DUT). Nosotros, a partirde ahora usaremos las siglas DUT para</p><p>referirnos a dichos sistemas.</p><p>La finalidad del sistema de medida es,por tanto, la de presentar a un</p><p>observador el valor numrico lo ms</p><p>aproximado posible al valor real deuna determinada magnitud fsica que</p><p>est siendo medida del DUT. Como seobserva en la figura 1, la entrada al</p><p>sistema de medida es el valor realy lasalida del sistema de media sedenomina valor medido. Como sever despus, los sistemas deinstrumentacin tendrn objetivos ms</p><p>ambiciosos que la mera medida, como</p><p>es el control y el tratamiento de lainformacin, aunque siempre incluirn,</p><p>de una forma u otra, un proceso de</p><p>medida.</p><p>Figura 1. Proceso de medida.</p><p>3. Diagrama de bloques de</p><p>un sistema deinstrumentacin</p><p>Los instrumentos electrnicos sirvende nexo de unin entre el medio y el</p><p>observador.La finalidad de un sistema de</p><p>instrumentacin es la de estimar los</p><p>valores de las magnitudes fsicaspresentando el resultado de la</p><p>estimacin a un observador y permitira dicho observador interactuar con elmedio.</p><p>En la Figura 2, se muestra la estructurainterna de un instrumento electrnico</p><p>en el que pueden observarse los</p><p>siguientes bloques: transductores,acondicionamiento de seal, control,</p><p>almacenamiento, anlisis de datos y</p><p>fuente de alimentacin. A continuacincomentaremos, de forma breve, estos</p><p>bloques. Algunos de ellos sern</p><p>desarrollados en temas posteriores conmayor detalle.</p><p>Transductor</p><p>Un transductor es aquel dispositivoque acepta energa proveniente de una</p><p>parte del sistema y la emite condiferente forma a otra parte de talsistema. Al transductor o conjunto de</p><p>ellos que permite obtener informacindel medio se le denomina sensor. Altransductor o conjunto de ellos quepermite actuar sobre dicho medio se le</p><p>denomina actuador. Un ejemplo desensor es una sonda de temperaturaque transforma energa trmica en</p><p>energa elctrica. Un ejemplo de</p><p>actuador es una resistencia que,aportndole energa elctrica, permite</p><p>calentar el medio variando sutemperatura.</p><p>Existe una familia de transductores que</p><p>interaccionan directamente con elobservador para permitirle conocer las</p><p>magnitudes que estn siendo medidas,</p><p>la mayora de estos transductoresintercambian radiacin luminosa y son</p></li><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 3/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>Figura 2. Diagrama general simplificado de un sistema de medida</p><p>conocidos como elementos devisualizacin o transductoresindicadores, por ejemplo: tubo derayos catdicos, indicadores</p><p>electromecnicos (indicadores de</p><p>aguja), diodos leds, displays de cristallquido, etc. Finalmente, a los</p><p>transductores que permiten al</p><p>observador actuar sobre el sistema deinstrumentacin, se les denominantransductores de mando.</p><p>Acondi cio nam ient o de seal</p><p>El acondicionamiento de seal se usa</p><p>para conectar elctricamente losdistintos transductores con los</p><p>elementos que procesan los datos, es</p><p>decir, los sistemas de control,almacenamiento o anlisis de la</p><p>informacin, modificando la seal</p><p>elctrica que proviene de lostransductores o que se enva hacia</p><p>ellos, para que sea compatible y tengalos valores adecuados. Algunas de las</p><p>tareas que tiene el bloque de</p><p>acondicionamiento son:Conversin tensin/corriente.</p><p>Amplificacin.</p><p>Filtrado.</p><p>Aislamiento galvnico.</p><p>Conversin A/D D/A.</p><p>Telemetra.</p><p>Modulacin/demodulacin.Algunas de estas funciones serntratadas en temas posteriores.</p><p>AlmacenamientoEl almacenamiento permite tener unregistro de la medida para que el</p><p>observador pueda estudiar la</p><p>informacin o que dicha informacinsea procesada con tiempo suficiente.</p><p>Por ejemplo, el registro de los latidos</p><p>cardacos, la captura de un transitoriode descarga de un condensador, etc.</p><p>El almacenamiento se realizafundamentalmente en dispositivos de</p><p>memorias analgicas o digitales. Otrossistemas de almacenamiento consoporte fsico diferente son los</p><p>sistemas de almacenamiento basados</p><p>en registradores de papel, discos, cintasetc. Incluso los ploters e impresoras</p><p>podran estar incluidos en esta familia</p><p>aunque adems pueden hacer lafuncin de transductores indicadores.</p><p>Fuente de alimentacinLa fuente de alimentacin debe ser</p><p>diseada en funcin de las necesidades</p><p>de precisin de los elementos queintegran el sistema de instrumentacin.</p><p>En este sentido, es importante tener en</p><p>cuenta su inmunidad o rechazo a lasvariaciones de tensin que pueda</p></li><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 4/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>experimentar dicha fuente. Este efectoresulta de gran importancia en los</p><p>casos en que la fuente ha de alimentar</p><p>algn transductor o elemento deacondicionamiento.</p><p>Existen dos tipos de fuentes dealimentacin, dependiendo de dondeproviene la energa: Batera y red</p><p>elctrica. En algunos casos puedencoexistir los dos tipos de fuentes.</p><p>En uso de bateras puede recomendarse</p><p>en diferentes casos. Por ejemplo, enequipos autnomos para ser utilizados</p><p>en lugares carentes de red elctrica;</p><p>para aislar al equipo de medida detensiones peligrosas (determinadas</p><p>normas de seguridad lo recomiendan);</p><p>para evitar posibles interferencias quepuedan llegar a travs de los cables de</p><p>conexin a red y en sistemas deemergencia, que deben ponerse en</p><p>funcionamiento una vez que</p><p>desaparece la alimentacin de la redelctrica.</p><p>4. Aplicaciones</p><p>Las aplicaciones fundamentales de los</p><p>instrumentos electrnicos son lamonitorizacin de procesos y</p><p>operaciones, el control de procesos yoperaciones y el anlisis experimental.</p><p>Monitor izacin de proc esos yoperaciones</p><p>En este caso el sistema deinstrumentacin realiza</p><p>exclusivamente la funcin de medidaalmacenamiento y procesamiento pero</p><p>no acta sobre el medio. En este caso</p><p>el bloque de control resultainnecesario. Ciertas aplicaciones de la</p><p>medida pueden caracterizarse por tener</p><p>esencialmente una funcin demonitorizacin, por ejemplo, los</p><p>termmetros, barmetros yanemmetros de una estacin</p><p>meteorolgica. Estos indican</p><p>exclusivamente el estado del entorno yno se utilizan para ejercer ninguna</p><p>accin sobre dicho entorno. Otro</p><p>ejemplo mucho ms cercano a nosotroslo constituyen los equipos de</p><p>monitorizacin de las constantes</p><p>vitales de los pacientes en loshospitales.</p><p>Contro l de procesos yoperaciones</p><p>En este caso, el sistema de</p><p>instrumentacin ejerce su accin sobre</p><p>el medio. El instrumento puede serconsiderado realmente como un</p><p>sistema de control. En la Figura 3, serepresenta la estructura tpica de un</p><p>sistema de control con</p><p>retroalimentacin, el cual acta sobreel medio para que las magnitudes a</p><p>controlar coincidan el lo posible conlas magnitudes deseadas.Un ejemplo muy familiar de sistema de</p><p>control, y a su vez sencillo, es el de uncalentador que utiliza un termostato</p><p>para controlar la temperatura la de</p><p>resistencia calefactora. El sensor detemperatura es un elemento bimetlicoque, a partir de cierta temperatura, se</p><p>deforma accionando un interruptor(elemento actuador) que corta la</p><p>corriente circulante por la resistencia.</p><p>Figura 3. Sistema de instrumentacin</p><p>destinado al control de procesos.</p><p>Anlis is experim entalLa solucin de problemas de ingeniera</p><p>requiere generalmente la utilizacin de</p><p>dos mtodos: terico y experimental.Muchos de tales problemas requieren</p><p>el uso simultneo de ambos.</p><p>Caractersticas de los mtodostericos:</p><p>1. Dar resultados de carcter general.</p></li><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 5/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>2. Requieren la aplicacin dehiptesis de simplificacin. Por</p><p>ello, no es el sistema lo que se</p><p>estudia sino un modelosimplificado.</p><p>3. En algunos casos, conduce acomplicados problemasmatemticos. Actualmente las</p><p>tcnicas computacionales resuelvenproblemas inabordables en otra</p><p>poca.</p><p>4. Requieren slo papel, lpiz ycomputador.</p><p>5. No hay que gastar tiempo en</p><p>construir maquetas, ensamblar ychequear instrumentos ni adquirir</p><p>datos.</p><p>Caractersticas de los mtodosexperimentales:</p><p>1. A menudo dan resultados</p><p>aplicables slo al sistemaespecfico en experimentacin.</p><p>Sin embargo, tcnicas tales</p><p>como el anlisis dimensional ymodelado de datos pueden</p><p>permitir alguna generalizacin.2. No se necesita hacer ninguna</p><p>suposicin de simplificacin.</p><p>3. Se necesitan medidas precisas,Esto requiere la utilizacin de</p><p>equipos caros y complicados,</p><p>as como un largo periodo detiempo para su estudio y puesta</p><p>a punto.4. Se requiere la presencia del</p><p>sistema o, en su defecto, de unmodelo a escala.</p><p>5. Se requiere, en general, un</p><p>largo tiempo para diseo,</p><p>construccin, ensamblaje y</p><p>puesta a punto del propiosistema y de los aparatos demedida.</p><p>Los tipos de problemas en los que</p><p>puede necesitarse la utilizacin deexperimentacin y, por lo tanto, de</p><p>instrumentos de medida son:</p><p>1. Cuando se pretende demostrar la</p><p>validez de predicciones tericas ymejorar la teora.</p><p>2. Formulacin de relaciones</p><p>empricas en situaciones donde noexiste una teora o sta es</p><p>excesivamente compleja deformular.</p><p>3. Determinacin de parmetros de</p><p>materiales, componentes, sistemas,variables e ndices de</p><p>comportamiento.</p><p>4. Estudio de fenmenos, con laayuda de la teora.</p><p>5. Solucin de ecuaciones</p><p>matemticas mediante analoga.</p><p>5. Proceso de medida.</p><p>CalibracinUn sistema de medida o cualquiera desus partes responde a una forma de</p><p>energa, o conjunto de ellas, que</p><p>denominaremos estmulos eX y, a</p><p>travs de sus transductores, transformadicha energa a otra o conjunto de ellas</p><p>que denominaremos respuestas rY , tal</p><p>como se muestra en la Figura 4. Larespuesta es lo que el observador</p><p>detecta a travs de los transductores</p><p>indicadores. A este proceso se le</p><p>denomina proceso de medida.</p><p>Figura 4. Proceso de medida.</p><p>Como se muestra en la Figura 4, lossistemas de medida se ven afectados</p><p>por una serie de acciones externas, iX</p><p>y el resultado rara vez refleja el valoresperado. Incluso el propio</p><p>instrumento puede alterar lo que se</p><p>pretende medir. Esto da lugar a lo quese conoce como errores de medida. En</p></li><li><p>5/21/2018 Introduccion Instrumentaci n</p><p> 6/187</p><p>Tema 1. Introduccin a la instrumentacin</p><p>el siguiente tema se estudiarn dichoserrores, sus componentes y cmo</p><p>tratarlos. Teniendo en cuenta todos</p><p>estos errores, el resultado de unamedida se considera completo cuando</p><p>incluye dos partes fundamentales, elvalor atribuido al valor medido y laincertidumbre de la medida asociada</p><p>con dicho valor. La comprobacin dela veracidad de los resultados de los</p><p>sistemas de medida se realiza mediante</p><p>el proceso de calibracin.CalibracinCon la calibracin de un sistema de</p><p>medida se pretende comprobar que lamedida de dicho sistema es la correcta</p><p>y adems determinar su incertidumbre.</p><p>Para ello, se realiza un proceso con elfin de determinar ambos valores. Se</p><p>realiza un proceso similar al propioproceso de medida. Para realizar la</p><p>calibracin debe modelarse el sistema</p><p>de medida segn una funcin de lasvariables de entrada.</p><p>Y=f(X1, X2, .Xn)Entre las entradas, se encuentran, entre</p><p>otras, la lectura que se realiz...</p></li></ul>