temas1-2-3_2010_es

Grado Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Instrumentación Electrónica IInstrumentación Electrónica I

CoordinadoraCoordinadora: Carmen Vázquez: Carmen Vázquez

Dpto. Tecnología ElectrónicaInstrumentación Electrónica I

@ carmen vázquez

Departamento Tecnología Electrónica

CoordinadoraCoordinadora: Carmen Vázquez: Carmen Vázquez

TRANSDUCTORES

BIBLIOGRAFÍA

TUTORÍAS

PROBLEMAS Evaluación continuaEvaluación continua

SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y MEDIDA:SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y MEDIDA:••GENERALIDADESGENERALIDADES••CONCEPTOCONCEPTO

COMPONENTESCOMPONENTES

ACONDICIONAMIENTO SEÑAL:necesidad:


Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez

TRANSDUCTORES•función•clasificación•características en régimen estático

•necesidad: linealización, amplificación, etc.•acondicionadores transductores:

•circuito potenciométrico•circuito puente

•amplificador de instrumentación

ESQUEMAS BÁSICOS EN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

Sensores de mayor uso y aplicación industrial

Desarrollo de 2-3 sistemas con sensores en el laboratorio

Programa

PROGRAMA

T 1. INTRODUCCIÓN

T 2. SENSORES

T 3. CARACTERÍSTICAS SENSORES

T 4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

(**) (**) laboratorioslaboratorios

T 5. SENSORES TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO (**)

TEMA 6. SENSORES DE DEFORMACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO (**)

TEMA 7. SENSORES DE NIVEL Y POSICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

TEMA 8. SENSORES ÓPTICS Y CIRCUITOS ACONDICIONADORES

6 ECTS



Sistemas instrumentación en control de procesos

Visualizador

SENSOR ACONDICIONAMIENTO

Señaleléctrica

Variablefísica

Señalmedida

SISTEMA DE MEDIDA

© ITES-ParaninfoP

RO

CE

SO

SISTEMA DE CONTROLACTUADOR

TRANSMISOR

RECEPTOR

Señalmando

Medio detransmisión

¿Ejemplos?

Componentes de un sistema de medida

Magnitud física

a medir

Temperatura

Deformación

posición

Señal realimentación

para control

Visualización



transductor

Acondicionamiento

de señal

Línea transmisión Procesado de señal

Activos, pasivos

Amplificación,

Filtrado,

modulación Procesado de datos

Salida

Demodulación

amplificación

Computación

ADC

Visualización

Almacenamiento

Control..

Sistema de medida

text

ADQUISICIÓNDE DATOS

PROCESAMIENTODE DATOS

DISTRIBUCIÓNDE DATOS

Entrada(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

SISTEMA DEMEDIDA

- Temperatura - Presión - Velocidad - Luz - pH etc.

- Visualización

- Almacenamiento

- Transmisión

ENTRADAS SALIDAS© ITES-Paraninfo



textDE DATOS DE DATOS DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

(Valor medido)

Procesador

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESA-MIENTO

DE DATOS DISTRIBUCIÓN DE DATOS

Entrada SalidaSensor

Acondicio-namiento Acondicio-

namiento

ConversiónAD

ConversiónDA

Mundo físico

Sistema para la medida de deformacionesSistema para la medida de deformaciones

Diagrama de Bloques

εεεεεεεε Transductor Pte. WheatstoneG

AcondicionamientoAcondicionamiento

IEI



εεεεεεεε Transductor Pte. Wheatstone

Objetivo: CalibraciónCalibración

Ejemplo 1.

Control de temperatura

Acondicionadorde señal detemperatura

Medio detransmisión

Sensor detemperatura

Aislamiento

Controladorde

temperatura

Transmisor Receptor

Ejemplo 2



transmisión

Hornoindustrial

Aislamiento

Resistenciacalefactora

220 V

Lazo de realimentación

IEI

Programa

PROGRAMA

T 1. INTRODUCCIÓN

T 2. SENSORES








6 ECTS



¿Qué es un transductor?¿Qué es un transductor?

Dispositivo que convierte una señal física de entrada en una señal de salida de tipo: eléctrico, hidraúlico...

Magnitud físicaMagnitud física



Magnitud físicaMagnitud física

Magnitud eléctricaMagnitud eléctrica

TRANSDUCTOR

y(x)y(x)

xx

¿Ejemplos?

Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico frente mecánicofrente mecánico

Ventajas Amplificación nivel deseado

Salida registable a distancia ( control y medida remota)

Señales acondicionan al elemento

Inconvenientes Problemas entornos

explosivos (ópticos)

Comparativamente más caros

Menos fiables que tipo



Señales acondicionan al elemento de registro (analógico ó digital)

Combinación señales salida (multiplexación)

Tamaño y forma transductor minimizar peso y volumen (aviónica)

Dimensiones y forma evitar influencia medida (piezoeléctrico: vibraciones)

Menos fiables que tipo mecánico (envejecimiento de componentes activos)

Exactitud y precisión menores tipo mecánico. No superior 0,01%.

Clasificación transductores

Pasivos.Subclasificación

Magnitud

eléctrica de

salida

Resistivos:

Potenciómetro

Galga extensométrica

Termistor

LDR

Capacitivos:

Variación: d, ε, S

Inductivos:

LVDT, variación L...



salida LVDT, variación L...

Activos Termopar

Célula fotovoltaica..

Magnitud física a medir: T, nivel, deformación, aceleración...

Programa

PROGRAMA

T 1. INTRODUCCIÓN

T 2. SENSORES








6 ECTS



Características estáticas de transductoresCaracterísticas estáticas de transductores

Descripción de comportamiento= Curva de calibración ==y(x)y(x).Proceso=Caracterización transductor. ¿? (Patrón)

Formas de presentar la relación entre yy -- xx.

Gráfica: curva calibración

150



función matemática: If=SxP

Tabla

potencia Fotodiodo (µµµµA)emitida (mW) corriente genera

166,0 35,4

204,2 45,1

238,8 53,5

279,9 61,9

313,3 70,9

347,5 78,9

384,6 88,6

424,6 96,6

464,5 104,7

502,3 112,8

542,0 120,8

0

50

100

150

0,0 200,0 400,0 600,0

Potencia emitida (mW)

Co

rrie

nte

ge

ne

ra

(mic

roA

)


Sensibilidad; “Pendiente de la curva entrada-salida del transductor”. S=S=∆∆y/y/∆∆xx. Unidades, ¿constante? Ordenes de magnitud.

Rango de medida: “Límites máximo y mínimo que se pueden medir con el transductor” (Xi,Xs)(Xi,Xs)

Escala total. “Intervalo de operación del transductor”. XsXs--Xi Xi (Input Full Scale, (Input Full Scale,



Escala total. “Intervalo de operación del transductor”. XsXs--Xi Xi (Input Full Scale, (Input Full Scale, FS)FS)

Rango:(Xi,Xs)(Xi,Xs)InpuInput t Full Scale (XsFull Scale (Xs--Xi)Xi)

S=S=∆∆y/y/∆∆x (sensitivity)x (sensitivity)Ejemplos

LM335: 10mV/ºC

RTD Pt: 0,0039Ω/ΩºC

Termopar J: 52µV/ºC

Características estáticasCaracterísticas estáticas

S=S=∆∆y/y/∆∆x (sensitivity)x (sensitivity)

Sensibilidad normalizada



Rango:(Xi,Xs)(Xi,Xs)

Input Full Scale (XsInput Full Scale (Xs--Xi)Xi)

deriva de cero,deriva de cero,

yoyo

Sensibilidad normalizada

(1/(1/YoYo)∆)∆y/y/∆∆xx

Output V0

Características estáticasCaracterísticas estáticas



Mesurand input

iV

VS 0=

iV

VS

∆

∆= 0

Características estáticas. Linealidad ICaracterísticas estáticas. Linealidad I

Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”:y(x)=S x+yoy(x)=S x+yo yo= deriva de cero. yo= deriva de cero.

No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética recta. recta. ¿Cuál?¿Cuál? %sobre el fondo de escala%sobre el fondo de escala

Ys



No Linealidad No Linealidad (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆ymáx/Ys)*100, ymáx/Ys)*100,

supuesto Yi=0 supuesto Yi=0 (nonlinearity)(nonlinearity)

c) Mínimos cuadradosc) Mínimos cuadrados

Ys

Características estáticas. Linealidad IICaracterísticas estáticas. Linealidad II

Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”:y(x)=S x+yoy(x)=S x+yo yo= deriva de cero. yo= deriva de cero.

No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética recta. recta. ¿Cuál?¿Cuál? % sobre el fondo de escala. % sobre el fondo de escala. REFERIDA A LA ENTRADAREFERIDA A LA ENTRADA

Ys

SalidaCurva real h2

SalidaCurva real

Desviaciónmáximah1



No Linealidad No Linealidad (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆xxmáxmáx/input FS)*100, /input FS)*100,

(nonlinearity)(nonlinearity)

c) Mínimos cuadradosc) Mínimos cuadrados

Ys

Magnitud,X

XSXI

Curvalinealizada

Magnitud,X

XSXI

Curvalinealizada

(a) (b)





Resolución: “Incremento mínimo necesario en la entrada para que se obtenga un cambio en la salida” Ej:discriminación: 0,1ºCdiscriminación: 0,1ºC

Umbral. “Resolución cuando el incremento de la entrada empieza en cero”.



Repetibilidad. “Capacidad de dar el mismo valor de la magnitud medida, al efectuar la lectura varias veces en las mismas condiciones”

Estabilidad. “Capacidad mantener la curva de calibración durante tiempos suficientemente largos”. (¿Derivas térmicas?).

Histéresis –I

Ys

Histéresis; “Diferencia a la salida para una misma entrada, según el sentido en que se alcance dicha entrada: ascendente o descendente”. % sobre el fondo de escala% sobre el fondo de escala



Ys

Histéresis Histéresis (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆ymáx/Ys)*100ymáx/Ys)*100∆ymax

supuesto Yi=0supuesto Yi=0

Histéresis -II

Histéresis; “Diferencia a la salida para una misma entrada, según el sentido en que se alcance dicha entrada: ascendente o descendente”. % sobre el fondo de escala% sobre el fondo de escala



Xs

Histéresis Histéresis (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆xxmáxmáx/input FS)*100/input FS)*100

∆xmax

Zona muerta

ResistenciaT2-T3

Zona muertaα



© ITES-Paraninfo

360º0ºZona muerta

mαTerminales

T1 T2 T3

(a) (b)

Ángulo de giro,

mα

Exactitud y fidelidad: Accuracy

Error absoluto

|Valor medido-valor exacto (patrón)|

Error relativo (%)



Error relativo (%)

(Error absoluto/valor verdadero)x100

Error relativo a fondo de escala (%)

(Error absoluto/Ys)x100

medidasValor verdadero

No exacto, fiel

•Accuracy,

Number of

measuermentsReal value

Mean

Accuracy

Figure 1: Precision

Figure 2: Accuracy

The standard deviation describes how spread out the results are about the mean

Exactitud y fidelidad: Accuracy



•Accuracy,

•precision,

•resolution

Measurand Vi

σ σPrecision

Resolution

Non-linearity, Hysteresis,Repeatability, stability

Propagación errores

Salida=(y1±ε1)+(y2±ε2);

εi=error salida yi



εi=error salida yi

εtotal2=(ε12+ ε22)

Depende de la función de salida compuesta: suma, multiplicación…

Características dinámicas

Ancho de banda ¿Qué es y cómo afecta al

comportamiento del sensor y del sistema?



comportamiento del sensor y del sistema?

Mundo físico

Sistema para la medida de deformacionesSistema para la medida de deformaciones

Diagrama de Bloques

εεεεεεεε Transductor Pte. WheatstoneG

AcondicionamientoAcondicionamiento

IEI



εεεεεεεε Transductor Pte. Wheatstone

Objetivo: CalibraciónCalibración

Ejemplo 1.

Práctica Práctica 2: 2: “Galgas “Galgas ExtensométricasExtensométricas””

Es

Ro

Ro

-

+



Galga extensométrica mide a tracción

Pesas calibradas

Transductor: Galgas extensométricasTransductor: Galgas extensométricas

MEDIDA DEFORMACIONESMEDIDA DEFORMACIONES

R=f(εεεε) ρ

l

d TUnidades: µε=10-6

Ejemplo Sensibilidad



l

εεεε ⇒∆d,∆ρ,∆l ⇒∆∆∆∆R

∆∆∆∆∆∆∆∆R/Ro=K R/Ro=K εεεεεεεε

PFL-1011: K=2,1

Ro=120 ΩΩΩΩ

Κ Κ Κ Κ factor galga,

∆∆∆∆∆∆∆∆R=KRo R=KRo εεεεεεεε

SS==∆∆∆∆∆∆∆∆R/R/∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε==KRoKRo

∆∆∆∆∆∆∆∆R= 25,2 mR= 25,2 mΩΩΩΩΩΩΩΩ (100 µε)

Transductor: Galga extensométricaTransductor: Galga extensométricaHoja característicasHoja características



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Documents

una hipottica recta

input full scale

adquisicin de datos

distribucin de datos

departamento tecnologa electrnica

medio de transmisin

sistema de medida

sensores de deformacin