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.