• Author / Uploaded
• Surfer22e

Citation preview

TEMA 1: Introducción a la Instrumentación Electrónica

1. Introducción 2. Instrumentación electrónica en el contexto del control de procesos 3. Sistemas de medida 4. Caracterización de los sistemas de medida Pérez García, M.A., Álvarez Antón, J.C., Campo Rodríguez, J.C., Ferrero Martín F.C., y Grillo Ortega, Instrumentación Electrónica, 2ª ed., Thomson, 2004. Antonio Rodríguez Mata, Sistemas de Medida y Regulación. 2ª ed; Paranimfo, 2004. 1

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

1. Introducción.

Definiciones

La medida consiste en la determinación de una magnitud por comparación con un estándar. Magnitud (física), propiedad física mensurable (que puede ser medida). La instrumentación comprende todas las técnicas, equipos y metodologías relacionados con el diseño, construcción y aplicación de dispositivos físicos para mejorar, completar y aumentar la eficiencia de los mecanismos de percepción del ser humano. La instrumentación electrónica (IE) es la técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, de la conversión de la misma a magnitudes eléctricas y de su tratamiento para proporcionar la información adecuada (a un sistema de control, a un operador humano o a ambos). Así pues, la instrumentación tiene dos grandes temas de trabajo: El estudio de los sensores y de sus circuitos de acondicionamiento (amplificadores, filtrado, conversión, etc.) para que las señales proporcionadas por éstos, puedan ser utilizadas en sistema de control de procesos industriales. Esta asignatura centrará su estudio fundamentalmente en esta rama. El componente electrónico básico para la implementación de los circuitos de acondicionamiento es el amplificador operacional. El estudio de los equipos de instrumentación (osciloscopios, analizadores de espectro…) desde el punto de vista de su funcionamiento y su estructura interna. 2

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La I.E. en el control de procesos. Conceptos y terminología

Proceso entrada/salida Perturbación

Variables de entrada Variables manipuladas (MV)

Proceso

Sistema de control genérico

Consignas Órdenes

3

Sistema de Control

Variables de salida Variables del proceso (PV)

Perturbación

MV Proceso

PV

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La I.E. en el control de procesos. Conceptos y terminología Energía

Perturbación

Sistema de control enSeñales lazode abierto mando

Sistema de Control

Consignas Órdenes

MV Actuadores

Sistema de control en lazo cerrado Consigna Órden Referencia Set Point (SP)

Señal de error

+−

Sistema de Control

Valor medido

Energía

Perturbación

Señal de mando (señal eléctrica)

Sistema de medida

PV

Proceso

PV

MV Actuadores

(variable física)

Proceso

Variable de control (variable física)

4

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La IE en el control de procesos. Conceptos y terminología

Ejemplo de sistema de control en bucle cerrado 5

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La I.E. en el control de procesos. Conceptos y terminología

Control de procesos

Visualizador

SISTEMA DE MEDIDA Señal eléctrica

PV

ACONDICIONAMIENTO

S ENSOR

P R O CE S O

(variable física)

Señal medida

TRANSMISOR

Medio de transmisión MV (variable física)

6

ACTUADOR Señal mando

SISTEMA DE CONTROL

RECEPTOR

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La I.E. en el control de procesos. Arquitecturas de los sistemas de medida.

Arquitectura centralizada

DE MEDIDA

SENSOR 1 Valores reales de las variables

2 3 Señales de sensores

. . .

1

SENSOR 2

P ACTUADOR 1

n

NÚCLEO INTELIGENTE

. . .

DE CONTROL

1

2

O

1 2 3 n

m

3

Señales de mando

SENSOR n

ACTUADOR 2

R

Valores de consignas

SISTEMA

. . .

SISTEMA

Valores medidos 1 2 3 . . . n

C

SENSOR 3

E

S

O

ACTUADOR 3

ACTUADOR m

Topología en estrella 7

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

2. La I.E. en el control de procesos. Arquitecturas de los sistemas de medida.

Arquitectura distribuida BUS DE CAMPO

NÚCLEO INTELIGENTE M

Topología de BUS DE PROCESO NÚCLEO INTELIGENTE 1

SENSOR

NÚCLEO INTELIGENTE 2

ACTUADOR

P

8

NÚCLEO INTELIGENTE 3

R

O

SENSOR

C

E

S

NÚCLEO INTELIGENTE N

ACTUADOR

buses

SENSOR

O

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida. Introducción. Sistema de medida

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

SALIDAS

- Visualización

Sistema de medida

- Almacenamiento - Transmisión

magnitudes físicas

9

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida. Introducción. Naturaleza y tipos de variables susceptibles de ser medidas Naturaleza de la variable Mecánica Térmica Magnética Eléctrica

10

Tipo de variable Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, par, masa, etc. Temperatura, calor, entropía, etc. Campo magnético, flujo magnético, permeabilidad magnética, etc. Carga, corriente, tensión, resistencia, conductancia, capacidad, etc.

Óptica

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

Química

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

Biológica

Proteínas, hormonas, antígenos, etc.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida. Elementos de un sistema de medida

Elementos de un sistema de medida

Entrada (magnitud física)

Sensor

Acondicionamiento

Conversión AD

Conversión DA

Procesador Procesamiento de la señal

Adquisición de la señal

Acondicionamiento

Salida (valor medido)

Transmisión de la señal

SISTEMA DE MEDIDA

11

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Elementos de un sistema de medida

Etapas de adquisición de la señal

• •

Sensor Acondicionamiento

• Amplificación • Aislamiento • Filtrado • Linealización • Excitación de sensores • Conversión de señal 12

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Elementos de un sistema de medida

Etapas de adquisición de la señal (ii)

•

13

Conversión analógico-digital de la señal

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Selección del sistema La elección del sistema de medida depende de varios factores:

•

Características del proceso.

• Un proceso se define por el estado de una – varias señales analógicas y/o digitales.

• • •

Condiciones de entorno y ambientales. Número de señales. Tipos de sensores.

• Diferentes sensores necesitan etapas de acondicionamiento distintos.

14

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Selección del sistema

La estructura del sistema debe adaptarse a las necesidades de medida.

•

En la mayoría de las situaciones se hace necesario medir más de una variable de entrada. En estos casos se recurre a sistemas de medida multicanal.

•

La estructura es determinada por el acoplamiento al procesador.

Los parámetros característicos permiten seleccionar la topología óptima para cada aplicación.

15

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Estructuras multicanal

Sistema de medida multicanal con un solo CAD Acondicionado y procesado secuencial de las variables

Canal 1

Sensor 1

Canal 1

Sensor 2

Canal n

16

MULTIPLEXOR ANALÓGICO

•

Acondicionador

CAD

Procesador

Salida CDA

Sensor n

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Estructuras multicanal

Sistema de medida multicanal con un solo CAD Solo procesado secuencial de las variables

Canal 1

Sensor 1

Acondicionador 1

Canal 1

Sensor 2

Acondicionador 2

Canal n

17

Sensor n

MULTIPLEXOR ANALÓGICO

•

CAD

Procesador

Salida CDA

Acondicionador n

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

3. Sistemas de medida Estructuras multicanal.

Canal 1

Sensor 1

Acondicionador 1

CAD 1

Canal 1

Sensor 2

Acondicionador 2

CAD 2

Canal n

18

Sensor n

Acondicionador n

PROCESADOR

Sistema de medida multicanal con un CAD por canal

CDA

Salida

CAD n

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración.

Curva de calibración (static transfer function)

•

Es la relación entre la entrada al sensor o sistema y su salida en régimen estático.

•

Para definir la curva se necesita como mínimo indicar su forma y sus límites.

Salida

Salida

Magnitud a medir

(lineal) 19

Magnitud a medir

(no lineal)

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración. Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros utilizados para especificar los límites de la curva: • Campo o margen de medida (range) • Conjunto de valores admisibles en la

Salida,Y YS Salida a fondo de escala YS −YL

• YL

Magnitud a medir, X

• X

L

límite inferior

20

Xs Campo de medida límite Alcance = XS −X L superior

entrada de un sistema de medida. Conjunto de valores de entrada comprendidos entre los límites superior e inferior entre los cuales de puede efectuar la medida [XL, XS]. Unidades de medida: las de la variable de entrada.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración. Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros utilizados para especificar los límites de la curva (cont.):

• Alcance o fondo de escala

Salida,Y

(span, input full scale, FS) • Es la diferencia entre los extremos del

YS Salida a fondo de escala YS −YL YL

X

L

límite inferior

21

Magnitud a medir, X

Xs Campo de medida límite Alcance = XS −X L superior

• • •

campo de medida valores máximo y mínimo de la variable que se pueden medir de forma fiable. FS = XS − XL Solo coincide con XS si XL es cero. Unidades de medida: las de la variable de entrada.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración.

Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros utilizados para especificar los límites de la curva (cont.): • Salida a fondo de escala Salida,Y

(output full scale, FSO) • Es la diferencia entre las salidas YL e YS

YS Salida a fondo de escala YS −YL

obtenidas respectivamente para los extremos del campo de medida XL y XS. YL

X

L

límite inferior

22

Magnitud a medir, X

• •

FSO = YS − YL Unidades de medida: las de la variable de salida.

Xs Campo de medida límite Alcance = XS −X L superior

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración. Curva de calibración (static transfer function)

• La forma de la curva puede aproximarse en muchas •

ocasiones por una línea recta, que queda definida por dos puntos o un punto y la pendiente. Parámetros para definir la curva linealizada: • Sensibilidad (sensitivity) • Es la pendiente de la curva de calibración. • S = dY/dX • Unidades de medida: las de la variable de salida divididas por las de la variable de entrada .

23

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración.

Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros para definir la curva linealizada (cont.): • No linealidad, error de linealidad εL

Salida

Curva real

Desviación máxima

o linealidad (nonlinearity) • Es la máxima desviación de la curva de

Curva linealizada

Magnitud,X XL

24

calibración con respecto a la línea recta por la que se ha aproximado.

• •

εL = (|Xreal – Xlineal|)max

•

Unidades de medida: las de la variable de entrada.

X S

Se suele expresar en forma porcentual con respecto al alcance. %FS = εL·100/FS

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características Parámetros estáticos: Curva de calibración Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros adicionales: • Zona muerta (dead zone)

Resistencia

Zona muerta

• Ángulo de giro,

0º

αm

360º

Salida,Y Y 1

Histéresis

Y 2

Magnitud a medir,X

•

α

Es el intervalo de valores de la variable de entrada que no hace variar la salida. Es la región de la curva de calibración que presenta sensibilidad nula.

• Histéresis (hysteresis) • •

Es la máxima diferencia en la medida dependiendo del sentido en el que se ha alcanzado. Las causas típicas de histéresis son la fricción y cambios estructurales en los materiales.

X

25

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Curva de calibración. Curva de calibración (static transfer function)

• Parámetros adicionales (cont.): Saturación • Saturación (saturation)

Salida

•

Magnitud a medir, X X sat

• Resolución (resolution) •

110

Salida

101

Resolución

100 011 010 001

Es el nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa.

Tensión de entrada, (V)

• •

Es el mínimo incremento de la entrada que ofrece un cambio medible en la salida. Se suele expresar como un valor en tanto por ciento sobre el fondo de escala. Cuando se refiere a cambios en salidas digitales se suele medir mediante el número de bits que permite representar todos los valores posibles de entrada.

000 0

26

0,500

1,00

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Errores de medición.

Un principio básico de todo sistema de medida es el de medir una magnitud con el menor error posible. Error, valor que acota la incertidumbre de un determinado sistema. Tipos de errores en la medida de la magnitud física : • Sistemáticos • Se mantienen constantes o varían según una ley. • Ocasionados por fallos o defectos en el diseño del experimento, en los

•

instrumentos de medida o en el propio experimentador. Se pueden detectar y corregir mediante calibración.

• Aleatorios o accidentales • Toman diferentes valores cuando se repite la medida. • Variaciones imprevisibles en el proceso de medida. • Se estiman por métodos de la teoría de las probabilidades y de la estadística. La mejor estimación es el valor medio.

27

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Errores de medición.

Tipos de errores en la medida de la magnitud física (cont.) : • Aberrantes • por defectos en los equipos de medida, o equivocaciones del observador al leer o escribir, o a variaciones bruscas en las condiciones de medida. Las mediciones correspondientes a estos errores deben rechazarse.

• Términos utilizados para cuantificar el error: • Error absoluto • Máxima diferencia en valor absoluto entre el valor obtenido y el real en el campo

• 28

de medida. ε = (|Xreal – Xmedido|)max Unidades de medida: las de la variable de entrada.

• • Error relativo • Es el error absoluto referido al alcance de la medida. • ε = (|Xreal – Xmedido|)max /FS • Parámetro adimensional, se expresa en p.u., en % o en ppm.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Errores de medición.

Términos utilizados para cuantificar el error (cont.):

•

Repetitividad (repeatability)

• Concepto cualitativo que expresa el grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo las mismas condiciones de medida.

•

Reproducibilidad (reproducibility)

• Concepto cualitativo que expresa el grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo diferentes condiciones de medida.

• Las medidas pueden realizarse a largo plazo, por personas distintas, con aparatos distintos o en distintos laboratorios.

29

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Errores de medición. Términos utilizados para cuantificar el error (cont.):

•

Veracidad (trueness)

• Concepto cualitativo que expresa el grado de concordancia entre el valor promediado de varias medidas y el valor exacto (“real”, “verdadero”) o aceptado como referencia.

• Se suele expresar en términos de sesgo o desviación (bias).

•

Precisión (precision)

• Concepto cualitativo que expresa el grado de concordancia entre los resultados.

• Se cuantifica mediante la repetitividad, la reproducibilidad o ambas. 30

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Errores de medición. Términos utilizados para cuantificar el error (cont.):

•

Exactitud (accuracy)

• Concepto cualitativo que expresa el grado de concordancia entre el valor exacto (“real”, “verdadero”) de la entrada y el valor medido.

• Concepto cualitativo que agrupa la veracidad y la precisión. • Se suele expresar como un porcentaje del fondo de escala.

31

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Calibración. La calibración consiste en la comparación de la exactitud de un instrumento con un patrón conocido.

Instrumento 1 Salida ΔS

Instrumento ideal αi

1 α2

ΔS

Instrumento 2

electrónicos

2 Magnitud a medir

32

Dos equipos de medida aparentemente idénticos no presentan la misma curva de calibración debido a: • La exactitud de los componentes • Las no idealidades de los circuitos La curva de calibración varía: • con el paso del tiempo • con el grado de utilización de los equipos.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros estáticos: Calibración. Los métodos de calibración más sencillos son: • Calibración a un punto • Se actúa sobre el sistema de medida de forma que para un punto concreto (p. ej. el cero) la salida sea lo más exacta posible. • Calibración del cero y de la sensibilidad • Se realiza mediante dos mandos, uno permite modificar el nivel (offset) y el otro la sensibilidad (ganancia, gain) del sistema. • Primero se debe ajustar el nivel y después la sensibilidad.

Salida

Respuesta real

Salida

Salida Yn

Respuesta buscada X

33

X

Xn

X

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros dinámicos. La caracterización de la respuesta temporal o frecuencial de un sistema de medida permite definir su respuesta dinámica. En el dominio de la frecuencia:

• Ancho de banda (bandwidth)

B

Ganancia

B=w H 3dB

Desfase

B'

•

Conjunto de frecuencias entre una frecuencia de corte inferior (wL) y una frecuencia de corte superior (wH) caracterizadas porque el error de la variable de salida está dentro de una banda especificada.

•

El error hace referencia a la variable de interés: amplitud, fase o frecuencia.

•

Unidades: Hz o rad/s.

log w 0 w H B

Ganancia

3dB

Desfase

B' log w w L

34

B = w -w H L

w H

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros dinámicos. En el dominio de la frecuencia:

• Distorsión armónica (total harmonic distorsion, THD) THD( % ) =

∑ Vf

•

Vi 2 100

•

Vi y Vf , valores eficaces del i-ésimo armónico y del fundamental respectivamente. Parámetro adimensional, se expresa en porcentaje, ppm o dB.

En el dominio temporal:

• Tiempo de retardo (delay time, td) •

35

Tiempo requerido para que la respuesta alcance por primera vez el 50% del valor final.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros dinámicos. En el dominio temporal:

• Tiempo de subida (rise time, tr) •

Tiempo requerido para que la respuesta del sistema pase del 10% al 90%, del 5% al 95 % o del 0% al 100%.

• Tiempo de pico (peak time, tp) •

Tiempo requerido para que la respuesta del sistema alcance el primer valor de sobreoscilación.

• Sobreoscilación máxima (maximum overshoot, Mp) •

Cociente entre el valor máximo en el que la respuesta del sistema excede al valor final (deseado), en tanto por uno o porcentaje.

• Tiempo de asentamiento (settling time, ts) •

36

Tiempo requerido para que la respuesta del sistema quede siempre dentro de la banda del margen de tolerancia definido por la precisión del sistema.

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

4. Sistemas de medida: Características. Parámetros dinámicos.

En el dominio temporal: y

Mp tp

y(t)

yfinal

1.0 0.9

% tolerancia

td 0.5

td, tiempo de retardo tr, tiempo de subida 0.1 0

t

tr

tp, tiempo de pico Mp, sobreoscilación máxima

ts

37

ts, tiempo de asentamiento

Introducción a la Instrumentación Electrónica. Instrumentación Electrónica Departamento de Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo