Introducción a la instrumentación electrónica
- 1. Tema02:Introducciónalainstrumentaciónelectrónica 1 M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.com edfrancom@ipn.mx @edfrancom edgardoadrianfrancom
- 2. Contenido • Definiciones previas • Introducción • Medir • Cadena de medida • Instrumentación electrónica • La instrumentación electrónica en el control de procesos • Componentes de un sistema generalizado de medida • Telemetría • Otras utilidades de los sistemas de medida 2 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 3. Definiciones previas • Sensor: Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, y transformarlas en variables eléctricas bien definidas y caracterizadas. • Transductor: Dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. • Corriente: Es el flujo de carga (movimiento de electrones) por unidad de tiempo que recorre un material. • Voltaje: Es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. 3 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 4. • Variable física: Es la magnitud de algo que puede influir en el estado de un sistema físico. p.g. peso, velocidad, fuerza, etc. Las magnitudes pueden ser escalares o vectoriales. • Medir: Asignar un valor numérico a una magnitud concreta, de acuerdo a una regla bien definida. • Error: Juicio, valoración o resultado que contraviene el criterio que se reconoce como válido. • Muestreo: Tomar distintas mediciones de una variable a tiempos discretos. • Control: Área de la ingeniería que estudia sistemas que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. 4 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 5. • Automatización: Área de la ingeniería que estudia sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales de manera autónoma. • Actuador: Es un dispositivo capaz de influenciar sobre un entorno, a través de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un componente capaz de activar partes de un proceso, p.g. encender un ventilador, abrir una válvula, etc. • Instrumentación: Área de la ingeniería que trata de la medición para el control de procesos, con base en instrumentos de medición. • Electrónica: La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. 5 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 6. Introducción • ¿Qué es una medida? • La medida consiste en la determinación de una magnitud por comparación estándar. Si utilizamos los sentidos, la percepción y la medida de magnitudes físicas no puede realizarse con precisión ya que no todos percibimos de la misma manera, además de que nuestros sentidos son limitados . • P.g. No escuchamos sonidos mayores a 20kHz, no vemos ondas electromagnéticas fuera del espectro visible. • Los instrumentos son capaces de cuantificar de forma sistemática. 6 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 7. • Nuestro entorno diario se encuentra rodeado por instrumentos de medida. El más ubicuo es el reloj, pero en las casas abundan los termómetros y otros. Los tableros de los coches están llenos de indicadores de velocidad, revoluciones, nivel de gasolina, etc. • Un instrumento de medición, es aquel conjunto de elementos que forman un instrumento, capaz de convertir una variable física en una señal o indicación a ser interpretada por sistema externo (usuario) con mayor facilidad. 7 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 8. Medir • Medir es asignar un valor numérico a una magnitud concreta (tensión, corriente, potencia, resistencia...), de acuerdo con una regla predeterminada que esté basada en la experimentación. Toda medida implica cuando menos tres funciones: 1. Detectar la magnitud de interés, empleando si hace falta un transductor, o un sensor que ofrezca una señal eléctrica útil a partir de la señal de entrada; 2. Procesar la señal obtenida por el detector para extraer la información deseada y ofrecerla al indicador en forma de una señal adecuada; 3. Presentar la lectura, almacenarla, o transmitirla, o varias acciones a la vez. 8 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 9. Cadena de medida • Cadena de medida es el conjunto de elementos que constituye el camino que recorre la señal de medida desde la entrada hasta la salida. 9 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 10. Instrumentación electrónica • "La instrumentación comprende todas las técnicas, equipos y metodologías relacionadas con el diseño, la construcción y la aplicación de dispositivos físicos para mejorar, completar y aumentar la eficiencia de los mecanismos de percepción del ser humano" • Entre los instrumentos, gozan de especial interés aquellos que utilizan técnicas electrónicas para realizar la medida. Por ello, una de las tecnologías de instrumentación más avanzadas es la instrumentación electrónica que es la técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, de la conversión misma a magnitudes eléctricas y de su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un sistema de control, a un operador o ambos. 10 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 11. Variables y señales 11 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez • La información de las variables a medir o que se pretenda capturar se almacenan en algún tipo de variable eléctrica, generalmente tensión. Esa variable eléctrica es lo que se denomina señal. • La naturaleza de las variables y de las señales que las contienen pueden ser igual o distinta: el primer caso, la variable y la señal coinciden o son proporcionales, mientras que en el segundo, la variable es almacenada dentro de algunos de los parámetros de la señal.
- 12. 12 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez • Variables analógicas: Cuando los datos constituyen matemáticamente un conjunto denso; i.e. puede tener cualquier valor dentro de un intervalo determinado. • Variables digitales: Cuando los datos constituyen un conjunto finito de valores, normalmente representados en sistema binario.
- 13. 13 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez • Las señales igual que las variables, pueden clasificarse según el mismo criterio, obteniendo señales analógicas y señales digitales. • Sin importar de si se trata una señal digital o analógica, esta puede contener variables tanto digitales como analógicas. • Una señal analógica v(t), puede contener información x(t) en cualquiera de los parámetros que la definen. • Valor instantáneo • Amplitud • Frecuencia • Fase
- 14. 14 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez • Valor instantáneo: La variable contenida coincide con la señal o es proporcional a ella. • v(t)= K x(t) • Amplitud: En el caso de ser una señal periódica. • v(t)=K' x(t) sen(ωt)
- 15. 15 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez • Frecuencia: En el caso de una señal periódica. • v(t)= A sen(K' 'x(t)t) • Fase: v(t)=A sen(ωt+K'''x(t))
- 16. La instrumentación electrónica en el control de procesos • La instrumentación electrónica cobra su máximo protagonismo en el entorno industrial y adquiere una relevancia especial en lo que hace referencia al control de procesos. La realidad es que las dos disciplinas (instrumentación y control), están fuertemente relacionadas, desde el diseño y aplicación de un sistema completo de medición y control. 16 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Salida SISTEMA DE CONTROL PLANTA O PROCESO OPERADOR Consigna Entrada Sistema de control genérico INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA
- 17. • El objetivo de un sistema de control es obtener una salida o respuesta que coincida con la que pretende el operador pero sin que intervenga directamente sobre el sistema. Para ello el operador proporciona consignas o variables de control, que le permiten especificar la respuesta deseada de la planta. A partir de estas señales, el sistema de control genera las denominadas señales de mando que son las que actúan sobre la planta con el objetivo de modificar la salida del proceso. 17 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Salida Sistema de control en lazo abierto SISTEMA DE CONTROL PLANTA O PROCESO OPERADOR Consigna Entrada ACTUADORES Señales de mando Potencia DISPOSITIVOS DE SEÑAL DISPOSITIVOS DE POTENCIA
- 18. • En un sistema de control en lazo abierto, a cada consigna le corresponde un modo de funcionamiento fijo. Este método se utiliza cuando se conoce de antemano la relación entre la entrada y la salida y no existen perturbaciones de ningún tipo. • Una perturbación es una señal que modifica negativamente la salida de un sistema. Si sobre un sistema se producen perturbaciones impredecibles, los sistemas de control en bucle abierto, no pueden corregir la situación, ya que el sistema de control no recibe información sobre este hecho. 18 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Sistema de control en lazo abierto SISTEMA DE CONTROL PLANTA O PROCESO OPERADOR Consigna Entrada ACTUADORES Señales de mando Potencia DISPOSITIVOS DE SEÑAL DISPOSITIVOS DE POTENCIA INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA
- 19. • En un sistema de control realimentado, ahora el operador fija las variables denominadas consigna o de referencia, y el sistema de control genera las señales de mando adecuadas para conseguir que la salida del proceso, variable regulada, se mantenga en el valor deseado a pesar de las perturbaciones exteriores. Esto es posible, ya que se alimenta al controlador de una "señal de error", que es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de realimentación. 19 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez SISTEMA DE CONTROL PLANTA O PROCESO OPERADOR Consigna Entrada Sistema de control en lazo cerrado o realimentado ACTUADORES Señales de mando NODO SUMA Señale de error + - Variable regulada Salida
- 20. • En este caso la instrumentación se requiere para monitorear las variables de la planta o proceso para alimentar la operación de control. 20 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez SISTEMA DE CONTROL PLANTA O PROCESO OPERADOR Consigna Entrada Sistema de control en lazo cerrado o realimentado ACTUADORES Señales de mando NODO SUMA Señale de error + - Variable regulada Salida INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA
- 21. • Cuando a una planta se le aplica un control automático realimentado, el interés de la instrumentación electrónica radica en las técnicas y procedimientos que esta disciplina aporta para medir la variable de proceso e informar al sistema de control. • El conocimiento del estado de un proceso se realiza a través de la medida de sus variables, y esa labor se realiza a través de procedimientos electrónicos de instrumentación, diseñando un sistema/instrumento de medida. 21 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 22. Componentes de un sistema/instrumento generalizado de medida 22 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Sistema físico Sensor Transductor Acoplamiento (Acondicionamiento de señal) Presentación / Transmisión/ Toma de datos Amplificación Transformación A-D Modulación/demodulación Cadena de medida generalizada
- 23. • El sistema físico, es aquel de cuyas magnitudes físicas se quiere medir. • En el extremo final se encuentra el sistema que permite al usuario tomar nota o almacenar la medida, es decir el sistema de presentación o toma de datos. • En los sistemas modernos, la presentación y/o toma de datos se hace de forma electrónica, por lo que la variable física a medir debe transformarse previamente en una señal eléctrica. 23 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 24. • La conversión de la magnitud física de interés en una señal eléctrica del nivel adecuado para la presentación y/o toma de datos se realiza en dos etapas. 1. En la primera etapa dicha magnitud física se convierte, mediante un transductor en otra magnitud de tipo eléctrico (por ejemplo una resistencia eléctrica). 2. En la segunda etapa, un acondicionador de señal incluye la circuitería necesaria para convertir la magnitud característica del transductor en una señal eléctrica de nivel adecuado. 24 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Transductor Acondicionador de señal
- 25. Telemetría • La telemetría permite la medición remota de magnitudes físicas y el posterior envío de la información hacia el operador del sistema. • Se utilizó por primera vez en 1915, a mediados de la primera guerra mundial, por el alemán Khris Osterhein y el italiano Francesco Di Buonanno para medir a qué distancia se encontraban objetivos de artillería. • La palabra telemetría procede de las palabras griegas τῆλε (tele), que quiere decir a distancia, y la palabra μετρον (metron), que quiere decir medida. 25 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 26. • El envío de información hacia el operador en un sistema de telemetría se realiza típicamente mediante comunicación inalámbrica, aunque también se puede realizar por otros medios (teléfono, redes TCP/IP, enlace de fibra óptica, etcétera). Los sistemas de telemetría reciben las instrucciones y los datos necesarios para operar mediante desde el Centro de Control 26 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 27. • La telemetría se utiliza en grandes sistemas, tales como naves espaciales, plantas químicas, redes de suministro eléctrico, redes de suministro de gas entre otras empresas de provisión de servicios públicos, debido a que facilita la monitorización automática y el registro de las mediciones, así como el envío de alertas o alarmas al centro de control, con el fin de que el funcionamiento sea seguro y eficiente. Por ejemplo, las agencias espaciales como la NASA, la Q.K, la ESA y otras, utilizan sistemas de telemetría y de telecontrol para operar con naves espaciales y satélites. • La Telemetría se utiliza en infinidad de campos, tales como la exploración científica con naves tripuladas o no (submarinos, aviones de reconocimiento y satélites), diversos tipos de competición (por ejemplo, Fórmula 1 y MotoGP), o la operación de modelos matemáticos destinados a dar sustento a la operación de embalses. 27 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 28. • En las fábricas, oficinas y residencias, el monitoreo del uso de energía de cada sección o equipo y los fenómenos derivados (como la temperatura) en un punto de control por telemetría facilita la coordinación para un uso más eficiente de la energía. • Una aplicación muy importante de la telemetría es la perforación de pozos petrolíferos; ésta se utiliza para la medición con herramientas navegables MWD1 y LWD.2 Se utiliza básicamente la telemetría de pulso de lodo, que se transmite a través de la tubería de perforación por medio del lodo de perforación. 28 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 29. Otras utilidades de los sistemas de medida • Redes de monitoreo: Una red de monitoreo es un sistema compuesto por: • Sensores de la variable física que se quiere monitorizar • Codificadores de la información medida • Transmisores de la información • Decodificador de la información • Equipo de cómputo destinado a almacenar y procesar la información capturada por los sensores • Redes de sensores: Una red de sensores es una red de computadoras de bajo costo (nodos), equipados con sensores, que colaboran en una tarea común. 29 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
- 30. • Sistemas electrónicos para el cuidado de la salud • Sistemas pensados para dar seguimiento al bienestar de las personas con el fin de que se pongan en contacto automáticamente con los médicos en caso de ser necesario. • Frecuentemente se trata de sistemas organizados en una BAN (body- area network). 30 Instrumentación 02 Introducción a la instrumentación electrónica Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez