Tema 03: Sistemas de medida Solicitado: Tarea 04 Mapa conceptual: Sistema de medida Tarea 05 Resumen: Capitulo 1 Introducción a los sistemas de medida “Libro-Sensores y Acondicionadores de Señal” M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.com [email protected] @edfrancom

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• Sistemas de medida • Error de medida • Unidades funcionales de un sistema de medida • Adquisición de datos • Acondicionamiento • Sensores integrados • Conversión analógica-digital

• Procesamiento de datos • Distribución de los datos

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Contenido

• Sistemas de medida multicanal • Multicanal con un ADC por canal • Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado)

• Arquitectura de los sistemas de instrumentación • Arquitectura centralizada • Arquitectura distribuida

• Tarea 04 Mapa conceptual: Sistema de medida • Tarea 05 Resumen: Capitulo 1 Introducción a los sistemas de medida “Libro- Sensores y Acondicionadores de Señal”

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• Un sistema de medida electrónico es aquel equipo cuya finalidad es obtener información acerca de un proceso físico y presentar dicha información de forma adecuada a un observador o a otro sistema técnico de control.

ENTRADAS •

Temperatura • Presión • Velocidad • Luz • pH, etc

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Sistemas de medida

SALIDAS

SISTEMA DE MEDIDA

• • •

Visualización Almacenamiento Transmisión

OBJETO DE UN SISTEMA DE MEDIDA

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Naturaleza de la variable

Tipo de variable

Mecánica

Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, par, presión, masa, flujo, etc.

Térmica

Temperatura, calor, entropía, etc.

Magnética

Campo magnético, flujo, permeabilidad magnética, etc.

Eléctrica

Carga, corriente, tensión, resistencia, conductancia, capacidad, permitividad dieléctrica, polarización, frecuencia.

Óptica

Rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, etc.

Química

Humedad, pH, concentración iónica, análisis de gases, etc.

Biológica

Proteínas, hormonas, antígenos, etc.

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• Existen multitud de magnitudes físicas a ser medidas :

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• Considerando el sistema de medida como una caja negra, la entrada sería el valor verdadero de la variable a medir y la salida, el valor medido.

• Solo en caso ideal, la diferencia entre ambos valores será nula, por lo que siempre contamos con un error de medida. Las causas de este error son de origen diverso: ruido del sistema de medida, interferencias exteriores, desviaciones de los parámetros de los componentes, mala calibración, etc.

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Error de medida

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• El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Afectan a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas. Las que se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones, se denominan determinísticos o sistemáticos y se relacionan con la exactitud de las mediciones. Los que no se pueden prever, pues dependen de causas desconocidas, o estocásticas se denominan aleatorios y están relacionados con la precisión del instrumento.

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• En un sistema de medida se pueden distinguir tres funciones principales: adquisición de datos, procesamiento de datos y distribución de los datos. • Adquisición de datos: La información de las variables a medir es adquirida y convertida en una señal eléctrica. De esta etapa dependerá en gran medida las prestaciones del sistema de medida. • Procesamiento de datos: Consiste en el procesamiento, selección y manipulación de los datos con arreglo a los objetos perseguidos. Esta función suele ser realizada por un procesador digital, tipo microcontrolador, procesador digital de señales (Digital Signal Processor DSP), etc. • Distribución de los datos: El valor medido se presenta a un observador (p.g, mediante un display), se almacena (p.g, en disco o chip de memoria)o se trasmite a otro sistema.

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Unidades funcionales de un sistema de medida

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ADQUISICIÓN DE DATOS

Entrada (Valor verdadero)

PROCESAMIENTO DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

Salida (Valor medido)

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Unidades funcionales de un sistema de medida

Módulos de un sistema de medida

Entrada

Sensor

Acondicion amiento

Conversión A/D

Adquisición de datos

Procesador

Procesamiento de datos

Conversión D/A

Acondicion amiento

Salida

Distribución de datos 8

• La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas. • Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal del sensor a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital (ADC).

Entrada (Valor verdadero)

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENT O DE DATOS

DISTRIBUCIÓN DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

La adquisición de datos puede ser dividida en unidades funcionales: • Sensor • Acondicionamiento • Conversión A/D

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Adquisición de datos

Salida (Valor medido)

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Acondicion amiento

Conversión A/D

Adquisición de datos

Procesador

Procesamiento de datos

Conversión D/A

Acondicion amiento

Salida

Distribución de datos

• La variable del mundo fisco es convertida a una señal eléctrica a través de un sensor. Con frecuencia, la señal procedente del sensor tiene características no aptas para ser procesadas: señal de muy baja amplitud, espectro grande, baja linealidad, etc. Por ello la etapa de acondicionamiento de la señal (amplificación, filtrado, liberalización y modulación/demodulacion).

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Entrada

Sensor

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Amplificación

Filtrado

Linealización

Señal del sensor

Modulación / Demodulación

Acondicionamiento

Señal para conversión digital

• Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal • Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas

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Acondicionamiento

• Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con la variable que se desea medir • Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de poder transmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a interferencias durante el transporte. 11

• Muchos sensores incluyen toda la circuitería de acondicionamiento, dando lugar a sensores integrados, que incluso incluyen un conversor A/D que les permite proporcionar una salida digital.

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Sensores integrados

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• La conversión analógica-digital (ADC) consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

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Conversión analógica-digital

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• El procesamiento es la etapa en la que se realiza una manipulación matemática de una señal digital. Este está caracterizado por la representación en el dominio del tiempo discreto, en el dominio frecuencia discreta, u otro dominio discreto de señales por medio de una secuencia de números o símbolos. • Esto se puede conseguir mediante un procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras provenientes de un conversor analógico/digital (ADC). Se puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistema digital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada y digital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en procesador programable necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa que ejecuta.

Entrada (Valor verdadero)

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENT O DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

DISTRIBUCIÓN DE DATOS

Salida (Valor medido)

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Procesamiento de datos

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• La distribución de los datos implica codificar los datos procesados bajo algún principio eléctrico hacia algún modulo capaz de presentarlos al usuario y/o distribuirlos a otros sistemas de medida y/o controladores.

Entrada (Valor verdadero)

ADQUISICIÓN DE DATOS

PROCESAMIENT O DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

DISTRIBUCIÓN DE DATOS

Salida (Valor medido)

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Distribución de los datos

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• Podemos realizar la medición de múltiples variables del exterior, procesarlas y enviarlas a la salida, esto con fines de control, monitoreo, o telemetría avanzados. • Podemos realizar la medición de múltiples entradas con sistemas: • Multicanal con un solo ADC • Multicanal con un ADC por canal

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Sistemas de medida multicanal

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Sensor 1

Acondicionador 1

Sensor 2

Acondicionador 2

Entrada 2

. . .

Entrada 3

. . .

Sensor n

. . .

Acondicionador n

ADC

Procesamiento

Entrada 1

Multiplexor Analógico

• El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados.

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Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado)

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• Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado) • Bajo costo • Expansibilidad

• Desventajas • • • •

Bajas frecuencias de muestreo Mayor procesamiento Un solo rango de conversión Una sola resolución

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• Ventajas

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• Cada entrada analógica tiene su propio modulo de conversión a digital, es una rreglo de ADC’s individuales. Sensor 1

Acondicionador 1

ADC 1

Sensor 2

Acondicionador 2

ADC 2

Entrada 2

. . .

. . .

. . .

Procesamiento

Entrada 1

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Multicanal con un ADC por canal

Entrada 3

Sensor n

Acondicionador n

ADC 3

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• Ventajas • • • •

Altas frecuencias de muestreo/variables Menor procesamiento Diferentes rangos de conversión Distintos niveles de resolución

• Desventajas • Alto coste • Poca expansibilidad

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• Multicanal con un ADC por canal

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• En un proceso de control, generalmente los instrumentos de medida mantienen la información de múltiples mediciones de entrada. En tales casos puede adoptar dos arquitecturas básicas: • Arquitectura centralizada

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Arquitectura de los sistemas de instrumentación

• Arquitectura distribuida

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• Se caracteriza por realizar el algoritmo de medición y control en el núcleo inteligente, i.e. centralizadamente. Generalmente, se emplea en procesos de pocas variables y con distancias cortas entre los sensores y el núcleo inteligente. Sus desventajas son la necesidad de mucho cable generalmente de alto coste y las elevadas exigencias sobre el sistema de acondicionamiento de señales debido al ruido eléctrico presente.

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Arquitectura centralizada

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Valores medidos Señales de los sensores

Sistema de medida

Valores consignados

1 2

Sistema de control

n

Núcleo inteligente

Actuador 1

Sensor 1

Sensor 2

Actuador 2

PROCESO

1 2

n

Señales de mando

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Arquitectura centralizada

Sensor n

Actuador n

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• Es utilizada cuando el número de señales del proceso es muy elevado, o su dispersión geográfica es muy grande y/o cuando las exigencias dinámicas de las variables medidas son altas. Se caracteriza por poseer varios núcleos inteligentes sobre la base de microprocesadores, microcontroladores, que se comunican con otros sistemas a través de un bus, con alta inmunidad al ruido. El núcleo inteligente de segundo nivel, realiza las funciones de organizador de la transferencia de información y ejecuta parcial o totalmente el algoritmo de control.

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Arquitectura distribuida

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Arquitectura distribuida

Núcleo inteligente M

Núcleo Inteligente 1

Sensor 1

Núcleo Inteligente 1

Actuador 1

Sensor 2

Núcleo Inteligente 1

Actuador 2

PROCESO

Núcleo Inteligente n

Sensor n

Actuador n

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• Realizar un mapa conceptual de los conceptos del tema 03: Sistemas de medida. *Se entregará antes del día Domingo 31 de Agosto de 2014 (23:59:59 hora limite). *Recomendación usar Cmap Tool (Pueden enviar el archivo .cmap original pero incluir cuadro de datos del trabajo y alumno)

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Tarea 04 Mapa conceptual: Sistema de medida

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• Jerarquización: Se refiere a la ordenación de los conceptos más generales e inclusivos en la parte superior y mediante una diferenciación progresiva, están incluidos hacia la parte inferior los conceptos más específicos.

• Impacto visual: Debe considerar la limpieza, espacios, claridad, ortografía para reducir confusiones y amontonamientos, por ello es conveniente dibujarlos varias veces ya que el primer mapa que se construye tiene siempre, casi con toda seguridad algún defecto. También se recomienda usar óvalos ya que son más agradables a la vista que los triángulos y los cuadrados. • Simplificación: Se refiere a la selección de los conceptos más importantes, haciendo una diferenciación del contenido y localizando la información central de la que no lo es para una mejor comprensión y elaboración de un contenido. Los conceptos, al ir relacionándose por medio de las palabras enlace, se van almacenando en la mente de modo organizado y jerárquico de manera que serán más fácilmente comprendidos por el alumno. En este sentido se pueden desarrollar nuevas relaciones conceptuales, en especial si de forma activa los alumnos tratan de construir relaciones preposicionales entre conceptos que previamente no se consideraban relacionados, ya que cuando se elaboran los mapas se dan cuenta de nuevas relaciones y por consiguiente de nuevos significados. Por tanto se puede decir que los mapas conceptuales fomentan la creatividad y facilitan la participación.

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Características de un mapa conceptual

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• Realizar un resumen que integre los conceptos del capitulo 01 “Introducción a los sistemas de medida” del Libro: Sensores y acondicionadores de señal” Autor: Ramónn Pallás Areny, Editorial: Marcmombo.

*Prestar un especial interés a los tipos de sensores y su funcionamiento básico. *Se entregará antes del día Domingo 31 de Agosto de 2014 (23:59:59 hora limite). *Se puede encontrar en GoogleBooks y también se proporciona en PDF como recurso adicional de este tema. *Respetar las características de un buen resumen

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Tarea 05 Resumen: Capitulo 1 Introducción a los sistemas de medida “Libro- Sensores y Acondicionadores de Señal”

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• Está redactado con un estilo claro, conciso y exacto • Usa vocabulario del autor y aclara conceptos, cuando estos no quedaron muy claros por parte del autor • Sigue el orden establecido por el autor. No quita, cambia o salta el orden.

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Características de un resumen

• Las ideas del autor se deben expresarse en un lenguaje sencillo y preciso. Debe transferir exactamente las ideas del autor, sin omisiones, agregados o distorsiones, con el empleo de términos justos eludiendo la redundancia y la repetición. • Evitar información innecesaria tratando de no realizar repeticiones. Es un documento nuevo, no la repetición del original. 30

• Evitar las interpretaciones y juicios personales hacia el autor, debe ser objetivo.