REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería.

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica GENERALIDADES DEL SISTEMA DE MEDIDA Profesor: Ing. Angel Custodio PHD

2  Descripción de un sistema de medida y control.  Identificación del sistema de medida y sus bloques constitutivos. › Definición de cada bloque constitutivo: Transductor, sensor, actuador, acondicionador (amplificación, filtraje, adaptación de impedancias, modulación, aislamiento), conversión entre dominios, procesamiento (linealización, estandarización, etc..). › Conceptos generales sobre la medida  El sensor: › Clasificación. › Interferencias. › Compensación de errores  Características estáticas de los sistemas de medida.  Características dinámicas.  Características de entrada.  Errores en los sistemas de medida y su análisis

3 La palabra Sistema se utiliza en muy diversas áreas, pero en todas ellas su definición podría ser: " Conjunto de dos o más elementos interconectados entre sí para formar un todo unificado que tiene por objeto realizar una o varias funciones". El Sistema de Medida y Control es aquel que realiza funciones de medición de magnitudes físicas, químicas, biológicas, … procesando estas informaciones para regular el funcionamiento del sistema físico que pretende controlar, según los datos obtenidos en el proceso de adquisición de datos y medición. Algunos ejemplos de medida a efectuar por un sistema de control pueden ser: medida de la temperatura interna de un horno, medida de la posición o del esfuerzo en un brazo robot, etc..

4 El estudiante debe tener conocimientos básicos de los términos mas comunes utilizados en la medición y en el control de procesos y ciertas unidades empleadas para especificar el valor de las variables.

5 El estudiante comprenderá el comportamiento general de un sistema de medida y control e identificara las etapas fundamentales, interpretara los tipos de sensores y definirá las perturbaciones que pueden incidir en una proceso de medición.

6 UN SISTEMA ES LA COMBINACIÓN DE 2 O MAS ELEMENTOS PARA REALIZAR UNA O VARIAS FUNCIONES. EN LOS SISTEMAS DE MEDIDA, ESTA FUNCIÓN ES LA ASIGNACIÓN OBJETIVA Y EMPÍRICA DE UN NUMERO A UNA PROPIEDAD O CUALIDAD DE UN OBJETO O EVENTO, DE TAL FORMA QUE LA DESCRIBA. EL RESULTADO DE LA MEDIDA DEBE SER INDEPENDIENTE(OBJETIVA) BASADA EN LA EXPERIMENTACIÓN (EMPÍRICA )

7 Instrumentos y controles destinados a configurar un sistema de medida

8 Conjunto de operaciones tendientes a conocer, en un objeto físico o sistema, algunas de sus características físicas, de acuerdo con un procedimiento o documento escrito. Es la acción necesaria para cuantificar un suceso o evento, esta acción consiste en comparar una cantidad con su respectiva unidad, con el fin de establecer cuantas veces la segunda esta contenida en la primera. Por ejemplo, se mide la cantidad de corriente que circula a través de un conductor, el nivel de un fluido en un tanque, la potencia consumida por una carga, el nivel acústico de una explosión, la aceleración de un movimiento sísmico. La figura 1.1 cuantifica el nivel de un fluido en un tanque.

9 Figura 1.1 Cuantificación del nivel de fluido en un tanque

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11 SISTEMA FÍSICO A CONTROLAR Amplificación y Acondicionamiento de Señal para los Actuadores Amplificación y Acondicionamiento de Señal de los Sensores Interfaz con los Operarios (Teclados, Pulsadores) Dispositivos Remotos (Otras Unidades de Control, Gestión, etc..) Dispositivos de Representación (Alarmas, Displays, Impresoras,...) Unidad de Control (CPU, Memoria, Almacenamiento, Comunicaciones,...) PC,PC Industrial, PLC, Microcontrolador... El sistema de control capta las magnitudes del sistema físico (presión, temperatura, caudal etc) mediante los Transductores(también denominados de una forma no muy exacta, Sensores) Los sensores generan una señal eléctrica que será amplificada y acondicionada para su correcta transmisión a la Unidad de Control. Una vez recibidos, los datos serán tratados por la unidad de control (PC, autómata programable, microcontrolador), que generará unas actuaciones de acuerdo con los objetivos previstos para el sistema. Para que la transmisión sea más inmune al ruido, normalmente se hace de forma digital, lo que requiere una conversión previa Analógica/Digital. Ya que estas señales son de baja potencia se amplifican y envían a los Actuadores. La transmisión hacia los actuadores también puede ser digital, lo que requeriría de una conversión Digital/Analógica.

12 TRANSDUCTOR SENSOR ACONDICIONAMIENTO PARA INFORMACION DETALLADA HAS CLICK EN EL LINK

13 MARGEN DE MEDIDA Límites superior e inferior entre los cuales puede realizarse la medida. No respetar el margen de medida de un sensor o un instrumento puede ocasionar en error grave en el sistema.

14 MARGEN DINÁMICO: Cociente entre el margen de medida y la resolución

15 RESOLUCIÓN: Variación más débil de la magnitud física capaz de detectar UMBRAL: Es el incremento mínimo de la entrada del punto cero, para la que se obtiene un cambio a la salida. HISTÉRESIS: La salida del sensor depende de los datos tomados anteriormente, es decir los datos arrojados por el medidor dependen de su historia.

16 CICLO DE HISTÉRESIS FERROMAGNÉTICO QUE MUESTRA LA INFLUENCIA DEL CAMPO ELÉCTRICO EN LA POLARIZACIÓN Y LA ALINEACIÓN DE DIPOLOS

17 MODULADORES GENERADORES Aporte de energía ANALÓGICOS DIGITALES Señal de salida DEFLEXIÓN COMPARACIÓN Modo de funcionamiento PARA INFORMACION DETALLADA HAS CLICK EN EL LINK

18 ORDEN CERO PRIMER ORDEN SEGUNDO ORDEN Relación entrada - salida NIVEL FLUJO PRESIÓN ETC.. Magnitud medida RESISTENCIA CAPACIDAD INDUCTANCIA ETC.. Parámetro variable PARA INFORMACION DETALLADA HAS CLICK EN EL LINK

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20  SE DENOMINAN INTERFERENCIAS O PERTURBACIONES EXTERNAS AQUELLAS SEÑALES QUE AFECTAN AL SISTEMA DE MEDIDA COMO CONSECUENCIA DEL PRINCIPIO UTILIZADO PARA MEDIR LAS SEÑALES DE INTERÉS.  LAS PERTURBACIONES INTERNAS SON AQUELLAS SEÑALES QUE AFECTAN INDIRECTAMENTE A LA SALIDA DEBIDO A SU EFECTO SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE MEDIDA. PUEDEN AFECTAR TANTO LAS CARACTERÍSTICAS RELATIVAS A LA VARIABLE DE INTERÉS COMO LAS RELATIVAS A LAS INTERFERENCIAS.

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22 Una galga extensiométrica es un sensor basado en efecto piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Esquema de medición de esfuerzo constante en una viga

23 Un cambio de temperatura producirá una variación de resistencia, por lo que será una interferencia. A su vez, para la medida de los cambios de resistencia hará falta usar un operacional. Ya que los cambios de temperatura también afectan a las derivas de dicho amplificador y con ellas a la medida, resulta que dichos cambios son también una perturbación interna

24 Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteración del diseño o a base de añadir nuevos componentes al sistema. DISEÑO CON INSENSIBILIDAD INTRÍNSECA Se trata de diseñar el sistema de forma que sea inherentemente sensible sólo a las entradas deseadas. En el ejemplo anterior se lograría si se dispusiera de galgas de material con coeficiente de temperatura pequeño. Por razones prácticas obvias, este método no se puede aplicar en todos los casos.

25 MÉTODO DE LA REALIMENTACIÓN NEGATIVA Se aplica con frecuencia para reducir el efecto de las perturbaciones internas, y es el método en el que se basan los sistemas de medida por comparación. Si la realimentación negativa es insensible a la perturbación considerada y está diseñada de forma que el sistema no se haga inestable, resulta entonces que la señal de salida no vendrá afectada por la perturbación. a.)Método de la realimentación negativa para reducir el efecto de las perturbaciones internas. El bloque H puede ser insensible a dichas perturbaciones porque maneja menos energía que el bloque G b.) Convertidor fuerza corriente basado en realimentación negativa

26 TECNICA DE FILTRADO Un filtro es todo dispositivo que separa señales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio. Si los espectros frecuencia les de la señal y las interferencias no se solapan, la utilización de un filtro puede ser efectiva. El filtro puede ponerse en la entrada o en una etapa intermedia. En el primer caso puede ser: eléctrico, mecánico —por ejemplo, para evitar vibraciones—, neumático, térmico —por ejemplo, un blindaje con masa apreciable para evitar los efectos de las turbulencias al medir la temperatura media de un fluido en circulación— o electromagnético. Los filtros dispuestos en las etapas intermedias son casi sin excepción filtros eléctricos.

27 UTILIZACIÓN DE ENTRADAS OPUESTAS Se aplica con frecuencia para compensar el efecto de las variaciones de temperatura. Si, por ejemplo, una ganancia varía con la temperatura por depender de una resistencia que tiene coeficiente de temperatura positivo, puede ponerse en serie con dicha resistencia otra que varíe de forma opuesta (con coeficiente de temperatura negativo) y así mantener constante la ganancia a pesar de los cambios de temperatura. CLICKEA AQUÍ PARA CULMINAR LA SESION DE CLASES

28 Un Transductor es aquel dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc..) en otra magnitud, normalmente eléctrica RETORNO MENU

29 Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal transducible que es función de la variable medida SIGUIENTE

30 Me: Magnitud a Medir Vs: Voltaje de salida Sonda: Captador de la señal, en la gran mayoría de los sensores, existe una primera transformación o conversión de la magnitud. Elementos intermedios: Su misión es adaptar la salida de la sonda al sensor. Es el dispositivo que realmente efectúa la conversión a una señal eléctrica, por ejemplo los resortes de un sensor que detecta aceleraciones (acelerómetro). RETORNO MENU Esquema general de un sensor

31 Los Acondicionadores de Señal o adaptadores, son los elementos del sistema de medida y control que reciben la señal de salida de los transductores y la preparan de forma que sea una señal apta para usos posteriores (principalmente su procesado en un PLC o PC Industrial). Los acondicionadores no sólo amplifican la señal, sino que también pueden filtrarla, adaptar impedancias, realizar una modulación o demodulación, etc.. RETORNO MENU

32  MODULADORES En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida.  MODULADORES En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida.  GENERADORES En los sensores generadores o pasivos, la energía de salida es suministrada por la entrada.  GENERADORES En los sensores generadores o pasivos, la energía de salida es suministrada por la entrada. Ej. Termistor Ej. Termopar RETORNO MENU MODULADORES GENERADORES

33  ANALÓGICOS La salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal.  ANALÓGICOS La salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal.  DIGITALES La salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud  DIGITALES La salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud Ej. Potenciómetro Ej. Codificador de posición RETORNO MENU DIGITALES ANALÓGICOS

34  DEFLEXIÓN La magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil.  DEFLEXIÓN La magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil.  COMPARACIÓN Se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo.  COMPARACIÓN Se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. Ej. Acelerómetro de deflexión Ej. Servoacelerómetro RETORNO MENU DEFLEXIÓN COMPARACIÓN

35 SIGUIENTE

36 RETORNO MENU Respuesta de un sensor de segundo orden

37 RETORNO MENU SENSORES DE TEMPERATURA, PRESIÓN, CAUDAL, HUMEDAD, POSICIÓN, VELOCIDAD, ACELERACIÓN, FUERZA, PAR, ETC

38 Ej. Sensores resistivos(Galgas),capacitivos (Dieléctrico variable) e inductivos (LVDT) RETORNO MENU

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