Acerca de este eBook-

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LO ESENCIALDE LA INSTRUMENTACIÓN MODERNA

PARA MECATRÓNICOS

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VÍCTOR HUGO ZÁRATE SILVAPEDRO NÁJERA GARCÍA

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D.R. © Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, México 2013.

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El Tecnológico de Monterrey presenta su primera colección de eBooks de texto paraprogramas de nivel preparatoria, profesional y posgrado. En cada título, nuestros autoresintegran conocimientos y habilidades, utilizando diversas tecnologías de apoyo al aprendizaje. Elobjetivo principal de este sello editorial es el de divulgar el conocimiento y experiencia didácticade los profesores del Tecnológico de Monterrey a través del uso innovador de la tecnología.Asimismo, apunta a contribuir a la creación de un modelo de publicación que integre en elformato eBook, de manera creativa, las múltiples posibilidades que ofrecen las tecnologíasdigitales. Con su nueva Editorial Digital, el Tecnológico de Monterrey confirma su vocaciónemprendedora y su compromiso con la innovación educativa y tecnológica en beneficio delaprendizaje de los estudiantes.

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Acerca de los autores-

VÍCTOR HUGO ZÁRATE SILVA

Profesor del Tecnológico de Monterrey, Campus Cuernavaca, desde hace más de 20 años enlas áreas de arquitectura de computadoras, sistemas tiempo real, sistemas embebidos,instrumentación electrónica, circuitos eléctricos y sistemas distribuidos. Cuenta con el grado deDoctor-ingeniero en computación por el Instituto Politécnico de Grenoble, Francia.

Además, posee cinco años de experiencia profesional en el Instituto de InvestigacionesEléctricas en el área de automatización e interfaces hombre-máquina.

Sus intereses actuales incluyen manejo y uso racional de fuentes de energía, principalmenteen unidades móviles y desarrollos tecnológicos para rehabilitación lúdica.

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PEDRO NÁJERA GARCÍA

Profesor del Tecnológico de Monterrey, Campus Cuernavaca, en donde colabora en el áreade electrónica desde hace 12 años. En los últimos cinco años, también ha impartido cursos enpreparatoria. Obtuvo la Maestría en Ciencias Computacionales con Especialidad en SistemasDigitales y de Control por parte del Campus Morelos del Tecnológico de Monterrey, así como sucarrera profesional de Ingeniería en Sistemas Electrónicos por parte de la misma Institución.

Sus intereses principales se centran en el desarrollo de sistemas dedicados, basados enLenguajes Descriptores de Hardware y sintetizables en elementos de lógica programable, asícomo su empleo para la solución de problemas industriales; además de la didáctica de laenseñanza de las Matemáticas en preparatoria.

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Mapa de contenidos

Introducción del eBook» La instrumentación moderna se apoya en múltiples disciplinas. Estas disciplinas van

íntimamente ligadas y necesariamente contribuyen a lo que hoy conocemos comoinstrumentación.

» La arquitectura de computadoras. Cualquier sistema actual está basado en computadoras.El principio de diseño de ellas es una base para la creación de sistemas modernos deinstrumentación.

» La electrónica. Sin ella no podríamos hacer gran cosa. La tecnología moderna es electrónicay desde sus orígenes se ha utilizado para la instrumentación.

» El procesamiento digital de señales. Es una disciplina relativamente nueva pero que hadado el auge a las comunicaciones y al manejo de algoritmos sofisticados de procesamiento.

» Los Sistemas Tiempo Real. Cada día es más común encontrar aplicaciones que dependandel tiempo. Sin una buena planeación estos sistemas no serían útiles, por lo mismo, los STRrequieren de la instrumentación para su vida útil.

» Los sistemas embebidos. Las capacidades tecnológicas van día a día creciendo. Lascapacidades de cómputo siguen la Ley de facto de Moore que establece que cada 18 meseslas capacidades de los circuitos integrados se doblan. Con tanta potencialidad, losmicrocontroladores actuales se encuentran casi en todas partes.

» Las comunicaciones. Los sistemas actuales ya no están aislados, requieren de unaconectividad con otras entidades que les permitan distribuir su información o recabar algunaotra de otro sitio. Sin comunicaciones no habría red de sensores.

» La sociedad. Se incluye porque es el mapa regulador de todas nuestras acciones comoindividuos. Si somos parte de una sociedad, debemos respetar su legislación y suscostumbres. De ahí nace el principio de la ciudadanía activa. En nuestro caso, comoingenieros o futuros ingenieros, nuestras acciones profesionales estarán regidas porasociaciones a las que debemos pertenecer como parte de nuestra integración al mundoprofesional. Dos asociaciones son muy importantes en nuestro ámbito: el IEEE y la ISA. Cadauna tiene sus propias reglas de convivencia y maneras de actuar, es decir, su código de ética.Al final se reproducen para mayor claridad.

Capítulo 1. Fundamentos básicos de lasmediciones electrónicas

1.1. Objetivos de aprendizaje

1) Conocer la importancia de la instrumentación en elproceso de automatización y control.

2) Identificar los tipos de señales que los procesos físicosmanejan.

3) Comprender los elementos que constituyen un Sistemade Adquisición de Datos.

4) Dominar las principales características de loselementos primarios de medición (sensores).

5) Comprender el principio de conversión analógicodigital y digital analógico.

6) Conocer y dominar las funciones primordiales de losacondicionadores de entrada/salida.

7) Identificar los tipos de elementos finales de control(actuadores) que existen.

1.2. IntroducciónLa instrumentación es una disciplina de la ingeniería que tiene como objetivo integrar el medio

físico a los medios electrónicos de toma de decisiones. A los profesionistas que se dedican a estaárea se les denomina instrumentistas.

La decisión de prender un ventilador cuando hace calor es ya parte de las funciones de lainstrumentación, capturar de forma automática el valor de temperatura ambiente y su posteriorcomparación con una referencia deseada (set–point), forzará a la toma de decisión de prender ono prender el ventilador. La Figura 1.1 ejemplifica este proceso simple.

En el inicio de la era de la automatización, este proceso se llevaba acabo con electrónicaanalógica (computadoras analógicas, circuitos analógicos) pero la evolución de la tecnología y labaja en los costos en la época actual nos lleva al uso intensivo de sistemas digitales,particularmente los microcontroladores.

Es por lo mismo que la instrumentación moderna abarca no sólo los aspectos relacionadoscon la adquisición de datos sino también su integración y explotación en dispositivos digitales deprocesamiento.

La instrumentación moderna es una disciplina que integra muchas más en la época actual: laelectrónica, los sistemas digitales, los sistemas embebidos, el procesamiento digital de señales,la arquitectura de computadoras, los sistemas tiempo real, las comunicaciones. Incluso pensandoen la responsabilidad social del ingeniero, debemos integrar aspectos de la sociedad yresponsabilidad ciudadana. La instrumentación, por lo mismo, ya forma parte de un sistema máscomplejo que denominamos Sistema de Adquisición de Datos. Cualquier proceso automatizadotiene un Sistema de Adquisición de Datos integrado. De ahí su importancia de su estudio ya que,si dominamos lo que es un Sistema de Adquisición de Datos, dominaremos lo que es lainstrumentación moderna. Esta modernización y evolución también se manifiesta en la Sociedadde Instrumentistas de America (ISA por sus siglas en inglés), que ha evolucionado a ser la

“Sociedad Internacional de Automatización”, conservando las mismas siglas ISA por conveniencia.

La instrumentación es sólo una herramienta para tener una ventana al mundo real, de ahí quela exactitud de los instrumentos limita de forma directa la exactitud del modelo del mundo quepodemos realizar. La tecnología ha mejorado notablemente el rendimiento de los sensores, entres décadas se ha pasado de tener una exactitud típica del 0.25% a una, en la época actual, de0.025%, es decir un orden de magnitud en mejoramiento (McMillan, 2010).

Los avances tecnológicos se traducen en:

• Mayor exactitud.

• Mayor rango.

• Mayor vida útil.

• Mayores capacidades de regulación y calibración.

• Mayor integración entre sensores con técnicas de inteligencia artificial, como la fusiónsensorial.

• Mayor inmunidad al ruido.

1.3. Sistema de Adquisición de DatosLa arquitectura básica de un Sistema de Adquisición de Datos se muestra en la Figura 1.2.

Son dos mundos los que une la instrumentación: el mundo del procesamiento digital y el mundofísico.

1.3.1. El mundo o proceso físicoEl mundo físico es todo proceso o sistema externo al mundo digital. Es la naturaleza misma

que tiene diversas manifestaciones: un auto, un espacio cerrado, un proceso de manufactura, unbosque, un lago, una cancha de futbol, un avión, un invernadero, un centro de cómputoelectrónico, son ejemplos cotidianos de procesos físicos susceptibles de instrumentarse.

En el ámbito estrictamente industrial el proceso físico se manifiesta de múltiples maneras: unalínea de ensamble de autos, un sistema de llenado de refrescos o, en situaciones más riesgosas,un reactor nuclear.

Un buen instrumentista debe saber modelar ese mundo físico y, para modelarlo, primero debeconocerlo, identificar las variables que lo componen. Aunque en la actualidad los modelos varíany van desde los modelos formales y empíricos, nosotros nos interesamos básicamente en sudescripción a partir de la identificación de las variables físicas que lo componen.

Para los ingenieros de control es importante la distinción entre modelo de proceso continuo ymodelo de proceso en lote (batch por su término en inglés). Esta clasificación se basa en lacontinuidad en que el proceso genera sus salidas correspondientes, por ejemplo, un sistema dellenado de refresco: este proceso se realiza de manera continua, interrumpido tal vez por algunafalla o inspección. En el caso del modelo en lote, el procesamiento se efectúa por undeterminado tiempo y, cuando acaba, el sistema puede modificarse. Es el caso de los reactoresquímicos utilizados en la industria farmacéutica, donde cada compuesto puede ser producido enun lote con una receta particular. Cuando la receta se lleva acabo, ese periodo del proceso escontinuo.

Son dos tipos de variables que podemos identificar en un proceso físico: las variablescontinuas en el tiempo y las variables discretas. Las variables continuas son asociadas conmanejo de señales analógicas y las variables discretas con señales digitales. Como ejemplos deseñales continuas tenemos la temperatura y el nivel. Ejemplos de variables discretas son elestado de una puerta: abierta o cerrada; o el encendido de un motor: prendido o apagado. Elprimer paso para instrumentar un proceso es la identificación de tipos de variables y su número.Ya identificadas las variables, se pueden identificar el tipo de sensores necesarios para laadquisición automática de datos .

1.3.2. El procesador digitalEs el elemento central de procesamiento, el cerebro que toma las decisiones que permiten

controlar o modificar el proceso físico. Dependiendo de las necesidades del sistema, podemosencontrar desde un simple circuito combinacional o secuencial, hasta sofisticados sistemas decómputo basados en redes de computadoras. Ahondaremos un poco más en el segundocapítulo.

1.3.3. El operador o usuarioUn Sistema de Adquisición de Datos puede ser la base para los sistemas de control, de

automatización, de tipo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, por sus siglas eninglés). En muchos casos la intervención de un operador humano es necesaria. Es por lo mismoimportante considerar las Interfaces Humano Computadora (IHC) que en muchos casos seintegran al Sistema de Adquisición de Datos.

1.3.4. Los sensoresEl propósito de un sensor o transductor es convertir una cantidad física en una señal distinta

a la original, lo deseable es que la salida sea de tipo eléctrico. Los sensores están en contactodirecto con la variables físicas, y utilizan o absorben energía del medio controlado para entregaruna señal distinta (eléctrica, cambio de presión, fuerza, posición lineal o angular) en respuesta ala variación de la variable física. Se le conoce también como elemento primario de medición.

Las cantidades variables más comúnmente medidas por un sensor son posición, fuerza,velocidad, aceleración, presión, nivel, flujo y temperatura. La salida de un transductor puede sertípicamente un cambio en voltaje, corriente, resistencia, capacitancia o frecuencia. Los sensoresvienen en muy diversas presentaciones, algunas muy robustas para soportar las condicionesextremas de trabajo.

Qué tan bien y qué tan rápido el transductor cambia su salida, en respuesta a un cambio ensus entradas, es una característica de comportamiento esencial en un Sistema de Adquisición deDatos. Hay toda una variedad de sensores, en la Tabla 1 se muestra una lista representativapero no exhaustiva de ellos .

1.3.4.1. Características estáticas y dinámicas de los sensoresEl desempeño de los transductores es descrito en dos conjuntos de especificaciones. Las

especificaciones estáticas que describen la correlación de estado estable entre la entrada físicay la salida que entrega el sensor. Estas especificaciones son la exactitud, la precisión, lasensibilidad , la resolución , la histéresis , el rango, el span y el cero.

Qué tan rápido cambia la salida en respuesta a cambios en la entrada es descrito por lasespecificaciones de desempeño dinámico. Tiempo de subida, constante de tiempo y tiempomuerto son especificaciones dinámicas. Para mayor énfasis en estas características, se sugiereal lector consultar (Jacob, 1998; McMillan, 2010). Es importante además consultar las hojas deespecificaciones de cada sensor. El fabricante nos da esa información que acompaña a cadasensor.

1.3.4.1.1. Características estáticasPara determinar las especificaciones estáticas de un transductor se debe realizar un proceso

de calibración. Esto es una prueba en la cual valores conocidos son medidos y aplicados altransductor, y la salida correspondiente es registrada.

Exactitud (precisión): Es la más usada de las especificaciones estáticas y es la medidareferente a qué tanta incertidumbre existe en el valor medido. La exactitud se expresa en % deerror. El error es la desviación de la salida con respecto a la cantidad exacta (teórica) que eltransductor debe proporcionar.

Asumiendo una relación ideal lineal entre entrada y la salida como se muestra en la Figura 3,podemos considerar las siguientes expresiones asociadas a la exactitud:

Siendo:

V Teórico el valor teórico de salida, considerando una relación lineal entrada vs. Salida.

Lectura EscalaCompleta el valor máximo a la entrada

V Lectura, el valor leído a la entrada

V EscalaCompleta el valor a escala completa máximo de salida

Error Absoluto el valor entre lo esperado (teórico) contra lo medido

Error EscalaCompleta el error referenciado al valor de lectura máximo

Error Lectura el error referenciado al valor teórico

Sensibilidad (sensitivity): La relación del cambio de la señal de salida o respuesta deltransductor al cambio de la entrada o variable medida. Por ejemplo, el sensor de temperaturaLM35 tiene una sensibilidad de 10mV/°C, es decir, por cada grado centígrado de cambio, elsensor entrega una variación de 10mV. Entre mayor sea el cambio de la salida a un cambio a laentrada, el sensor tendrá mayor sensibilidad, lo cual es lo deseable.

Resolución: El cambio más pequeño a la entrada que produce un cambio en la salida, elvalor más pequeño para el cual el transductor responderá. Es también el grado con el que eltransductor puede discriminar valores equivalentes de una cantidad. La resolución es unamedida asociada al tipo de variable física que se está midiendo. Por ejemplo, en una cámara devideo, la resolución está asociada el número de pixeles que tiene pero, dado que la cámarafunge como sensor de objetos, la resolución deberá expresarse como el tamaño mínimo con quepuede discriminar un objeto sin que se confunda con otro. En el caso de un medidor dedesplazamiento lineal, la resolución está asociada a la mínima distancia que puede detectar, porejemplo, si el sensor es un potenciómetro de n vueltas de alambre, con una distancia máxima decarrera de l, la resolución será l/n expresada en unidades de distancia. Es importante darsecuenta que la resolución es una propiedad de los sensores, y que no es la misma que laresolución de la aplicación. El buen instrumentista debe darse cuenta de ello y empatar ambaspara que el sensor sirva a las necesidades del proceso físico.

Repetibilidad: Es la capacidad de reproducción de la salida al medir repetidamente valoresidénticos de la variable en las mismas condiciones y en el mismo sentido de variación,recorriendo todo el campo.

Siendo:

Vsal-max el valor máximo de salida

Vsal-min el valor mínimo de salida

VEscalaCompleta el valor a escala completa máximo de salida

Histéresis: La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores mostrados enla salida cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente ydescendente. En otras palabras, el valor de salida producido por un cierto valor de entradapodría no ser el mismo cuando:

a) el valor de entrada es alcanzado por un decremento en la entrada.

b) el valor de entrada es alcanzado por un incremento en la entrada.

Para cada punto de la calibración tenemos:

Siendo:

V1 el valor de subida

V2 el valor de bajada

Considerando la Figura 1.3, V1 es el valor más alejando de la recta teórica cuando elrecorrido es ascendente, y V2 sería el valor más alejado pero cuando se mide de formadescendente.

Linealidad : Es la aproximación o diferencia de una curva de calibración a una línea rectaideal de respuesta.

Siendo:

V1 el valor de lectura en el punto más alejado de la recta

Vlineal el valor de la recta donde la lectura es más alejada

VEscalaCompleta el valor a escala completa máximo de salida

Considerando la Figura 1.3, V1 es el valor más alejado de la recta ideal.

Una forma de tener una estimación global del sensor es a través de una estimación del errortotal. Como cada error es un porcentaje que puede ser positivo o negativo, un promedio de loserrores no es representativo por las adiciones y restas. Lo que se hace es pensar en la raízcuadrada de la sumatoria cuadrática de los errores, lo cual ya es una figura representativa.

Rango: Es el valor máximo y mínimo de la lectura de la variable sensada, corresponde al 0 y100% respectivamente de lo que el sensor puede detectar. El mínimo no es necesariamentecero. Por ejemplo, el sensor de temperatura integrado de la empresa National SemiconductorLM35 y LM35A nos puede detectar temperaturas desde -55° C hasta 150° C. Esos valoresmáximo y mínimo corresponden al rango. La variante del sensor LM35D nos detecta valoresdesde 0° C a 100° C. En la Figura 1.4 ejemplificamos este concepto.

Span: Se denomina así al valor que se obtiene de la diferencia entre el máximo y mínimo delrango. Por ejemplo un sensor de presión con rango de -10 kg/cm2 a 100 kg/cm2, tiene un spande 110 kg/cm2. En el ejemplo de la sección del rango, para el LM35A, su span es de 205° C, adiferencia del LM35D que es de 100° C.

Offset de cero: Es la desviación entre el punto cero ideal del real, como se aprecia en lafigura 1.4. Asociado a este offset se tiene la tolerancia en el span, la cual se define como ladesviación entre el valor real del span y el valor ideal del span.

1.3.4.1.2. Características dinámicasDefine los parámetros de respuesta del transductor a cambios en su entrada, ¿qué tan bien

responde a esta entrada? Se pueden especificar en dos planos: el de tiempo y el de frecuencia.

• Tiempo: Es la respuesta a la aplicación de un escalón de entrada.

• Si la respuesta del transductor es de primer orden, se tienen: tiempo de subida,constante de tiempo y tiempo muerto.

• Si la respuesta es de segundo orden, tendremos: coeficiente de amortiguamiento (ϒ),frecuencia de resonancia, tiempo de estabilización y porcentaje de sobretiro.

• Frecuencia: Es la respuesta a la aplicación de una excitación variable en el tiempo, de tiposeñal senoidal a la entrada en donde tendremos: respuesta en frecuencia, ancho de banda yfrecuencia de corte.

Tiempo de subida o elevación (Rise Time): Es el tiempo que toma la salida en pasar del10% al 90% de respuesta completa, cuando se aplica un escalón a la entrada.

Constante de tiempo (τ): Tiempo para el cual la salida alcanza el 63.2% de su cambiomáximo posible.

Tiempo muerto (Dead Time): Es el tiempo que transcurre entre la aplicación del escalón a laentrada del transductor, hasta que la salida empieza a cambiar.

Asociado al tiempo muerto existe la banda muerta. La zona muerta o banda muerta (DeadZone o Dead Band) es el intervalo de valores de la entrada que no hace variar la señal de salidadel transductor.

Coeficiente de amortiguamiento (ϒ): La forma precisa de la respuesta del transductor estádeterminada por el coeficiente de amortiguamiento. Si ϒ se coloca a cero, el sistema seráoscilante.

• Si ϒ >1 el sistema responderá lentamente, a este sistema se le conoce como

sobreamortiguado.

• Si ϒ = 1 el sistema responderá rápidamente, a este sistema se le conoce comocríticamente amortiguado.

• Si ϒ < 1 el sistema tendrá un sobretiro, a este sistema se le conoce comosubamortiguado y se observa en la Figura 1.5 (B).

Sobretiro (Overshoot): Sólo existe cuando el coeficiente de amortiguamiento (ϒ) < 1, elporcentaje de sobretiro es una medición del pico inicial comparado con el valor de estadoestable.

Siendo:

Sobretiro el porcentaje asociado al valor pico

Mpico el valor máximo de respuesta

VEstadoEstable el valor de salida que no varíe más del 2%

Tiempo de estabilidad (Settling Time): Es el tiempo que tarda la salida en estabilizarse enun banda del + 2% o + 5% del valor final, a partir de la aplicación del escalón en la entrada.

Frecuencia: La respuesta en frecuencia y la frecuencia de corte son dos especificacionesque describen la respuesta de un transductor cuando la entrada varía a una cierta frecuencia.Para un transductor lineal, una entrada con variación senoidal asegura una salida tambiénsenoidal.

Respuesta en frecuencia: Si la frecuencia de entrada aumenta, el transductor deberáresponder cada vez más rápido. Eventualmente si la entrada cambia más y más rápido cada vez,llegará el momento en que el transductor no podrá responder a estos cambios y la salida deltransductor será más pequeña. A esta relación de incremento en frecuencia, que se traduce endecremento de la amplitud de salida, se le conoce como respuesta en frecuencia y se mide conayuda de los decibeles. Los decibeles no son más que una forma de representación de laenergía de las señales y se definen como sigue:

Siendo:

Log10 el logaritmo base 10

Psalida la potencia de salida

Pentrada la potencia de entrada al sistema

Frecuencia de corte (fc): Es la frecuencia a la cual la salida del transductor cae a 0.707 delvalor que éste tiene a una frecuencia estable. En decibeles esto es equivalente a que la salidadisminuye 3dB o que la potencia de salida disminuye a la mitad. La frecuencia de corte estárelacionada al tiempo de subida por:

Ancho de banda: Es el rango de frecuencias 0 < f < fc que no caen por debajo de 3dB. Elancho de banda en una indicación de la velocidad de respuesta del transductor.

1.3.5. Los acondicionadores de entradaLas salidas de los sensores son normalmente valores de algún parámetro eléctrico que

generalmente son muy pequeños. Por ejemplo los termopares son sensores con una sensitividadmuy pequeña, típicamente 1mV/°C. Estos valores no son nada manejables para un sistemadigital, o un elemento para convertir la señal analógica a digital. Por lo mismo se requiere unaetapa de acondicionamiento electrónico de la señal que entregan los sensores.

Los acondicionadores son circuitos electrónicos cuya función es convertir la señal del sensoren una señal eléctrica manejable por el CAD o la Unidad de Procesamiento Digital.

1. Escalonamiento

2. Protección y aislamiento eléctrico

3. Amplificación

4. Filtrado

5. Estímulo eléctrico

6. De potencia

• Escalonamiento: Aumenta o disminuye valores de voltaje, porejemplo con un divisor de voltaje.

• Protección: Entrada lógica (TTL, CMOS) que no sufra descargaseléctricas de alto voltaje a sus interfaces, por ejemplo con ayuda de

diodos de recorte (clipping).

• Aislamiento eléctrico: Evita que disturbios eléctricos de campose transmitan y dañen las entradas digitales. Las dos formas paraaislar son los transformadores y los optoacopladores.

• Amplificación: Aumenta la relación señal/ruido de la señalentregada por el sensor, es decir elimina el ruido en modo común conayuda de un amplificador con CMRR (common mode rejection ratio)alto, mayor de 80 dB.

• Filtrado: Rechazo a frecuencias no deseadas o ruidoelectromagnético de alta o baja frecuencia como los 60 Hz de línea.

• Estímulo eléctrico: Algunos sensores necesitan excitacióneléctrica externa para poder entregar energía eléctrica como salida,como por ejemplo un RTD.

• Linealización: Obtiene una relación proporcional entreparámetros físicos medidos y la señal eléctrica de salida, como en unTermopar que es no-lineal. Esta función es cada día más comúndejársela al software.

1.3.6. La conversión analógica/digital (CAD)Una vez que nuestra señal proveniente del sensor ha sido debidamente acondicionada, la

siguiente etapa es la de conversión de esta señala analógica a una señal digital, es decir,expresada en un conjunto de bits agrupados en nibbles, bytes, words, o alguna otra estructurade bits. Este proceso de conversión tiene dos elementos: el muestreo y la cuantización. La Figura1.6 esquematiza este proceso.

Si nos ponemos a analizar este proceso, nos damos cuenta que lo que representa elmuestreo es el paso del dominio del tiempo continuo x(t) al dominio del tiempo discreto x(n).

Este proceso tiene como base una señal de muestreo, fs, la cual según el teorema deShannon debe corresponder al menos a dos veces la frecuencia de corte de la señal de entradax(t). La Figura 1.7 nos muestra este proceso en el dominio de la frecuencia.

El muestrear a una frecuencia fs, lo que origina es que el espectro original de la señal serepite cada fs veces. Aquí cabe recordar que es preferible usar un sistema con frecuencia demuestreo muy alta, mas de 5 veces la frecuencia de corte, como regla de dedo es un valor

adecuado, porque si no ocurre un fenómeno que se conoce como alisado (aliasing) como seobserva en la Figura 1.7. El alisado no es más que señales de frecuencias que se traslapan unade la otra traduciéndose en ruido indeseable. Para eliminarla se utiliza un filtro “antialisado”,como se muestra en la Figura 1.8.

Finalmente, nuestra señal muestreada se pasa a la etapa de cuantización, la cual consiste entomar valores de voltaje a espacios discretos, cada periodo de muestreo y convertirlos alequivalente en bits. El número de bits (n) corresponde a la resolución del conversor y estenúmero de bits también determina la exactitud de conversión.

Se tiene la figura de paso de cuantización (δ), la cual se calcula de la siguiente manera:

Por ejemplo, considerando un cuantizador cuya entrada sea de 0 a 5 V, VEC = 5. Para 8 bits elpaso es δ = 19.53mV, para 12 bits el paso es δ= 2.44mV, para 16 bits el paso es δ = 152.58µV.Como se observa, entre más bits es mejor la resolución, pero esto a costa del tiempo deconversión, entre más bits, generalmente es más tardado en la conversión. Ahora si la entradadel cuantizador es de -5V a +5V, para 8 bits el paso se reduce a δ= 39.06mV. La Figura 1.9esquematiza la salida obtenida en el proceso de cuantización.

Se define como el error de cuantización a +/- δ /2, siendo éste un valor de incertidumbrecuando tenemos un valor binario de salida, en el caso del ejemplo anterior, con δ =39.06mV,significa que tenemos una incertidumbre de +/- 19.53mV en el valor detectado.

Los tipos de cuantizadores más comunes son:

• Aproximaciones sucesivas

• Rampa simple y doble rampa de integración

• Flash

• Delta-Sigma

Cada uno tiene características propias, como lo son: el número de bits de resolución y eltiempo de conversión. Estos dos factores son determinantes para seleccionar un conversor. LaTabla 1.2, tomada de (Keithley Co.), nos muestra las características típicas de los conversores.

Dado que el conversor por si mismo es un elemento caro, existen sistemas con multiplexoresanalógicos a la entrada para aprovechar el mismo cuantizador. Estas soluciones proporcionanmás canales (cada canal es una entrada analógica), pero disminuyen la velocidad de adquisicióndel conversor, dado que ahora el cuantizador debe compartirse entre todos los canales deentrada, como se observa en la Figura 1.10.

Dependiendo del manejo de señales, es posible que las entradas sólo tengan una referenciaa tierra, en cuyo caso se habla de entradas uniterminales (singled-ended). En este caso elnúmero de señales de entrada corresponde a los mismos números de canales del conversor.Para aplicaciones donde se requiere más inmunidad al ruido se utilizan dos canales para manejaruna sola señal analógica de entrada, lo que representa una entrada diferencial. La gran ventajade los canales diferenciales es que se elimina el ruido en modo común sólo con una simple restaa la salida del conversor, pero disminuye a la mitad el número de entradas analógicas.

El utilizar un multiplexor a la entrada también afecta la velocidad de conversión, ya que sedivide entre “n”, siendo “n” el número de canales. Otra desventaja es que se origina un retrasoentre lectura y lectura de canales (skew en inglés), que debe ser tomado en cuenta en lasaplicaciones en que se desea comparar distintas señales al mismo tiempo, lo cual no es posiblecon canales multiplexados. Una solución a este problema es poner tantosmuestreadores/retenedores (S/H) a la entrada de cada canal, para muestrear en el mismoinstante todas las señales analógicas. Esta solución requiere una electrónica de S/H muy finapara que el valor de las señales en los últimos canales no se degrade.

Existen en el mercado ya un número importante de conversores e incluso, para fortunanuestra, estos conversores ya están integrados a los microcontroladores populares, de talmanera que la función del instrumentista es cada vez más dedicada a los acondicionadores.Existen otras técnicas de conversión más eficientes como lo son la conversión delta-sigma. Sinembargo esta técnica ya viene encapsulada en un circuito y su manejo es equivalente a lasanteriores.

1.3.7. La conversión digital/analógica (CDA)Siguiendo nuestro diagrama de la Figura 1.2, el proceso de conversión de un número binario

(n bits) a analógico es necesario cuando requerimos enviar hacia el proceso físico señales decontrol proporcionales, distintas a las binarias abrir o cerrar, o prender y apagar.

Este proceso toma un valor binario de n bits y lo convierte a un valor de voltaje proporcional.Las dos técnicas más utilizadas son:

• Resistencias pesadas

• Red R2R

De la misma manera que en los CAD, existen circuitos multiplexores que nos permiten tenermás de una salida con el mismo circuito de conversión, claro, en detrimento del tiempo deconversión y asociado al retraso entre canales.

Los microcontroladores actuales ya incluyen dentro del empaquetado conversores eficientes,de tal manera que nos ayudan considerablemente en esta tarea.

1.3.8. Los acondicionadores de salidaUn acondicionador debe ser capaz de proporcionar a los actuadores las señales necesarias

para su buen funcionamiento.

La principal función de los acondicionadores de salida es proporcionar potencia a losactuadores. Sin embargo no es la única, también el aislamiento eléctrico es necesario en etapasde salida.

La potencia puede ser proporcionada de distintas maneras, directamente un voltaje ycorriente adecuados, o a través de una interfaz PWM a motores DC.

1.3.9. Los actuadoresUn actuador recibe la señal del procesador digital y modifica de alguna manera la variable

física que se desea controlar. A los actuadores también se les conoce como Elementos finales decontrol. El actuador administra la energía aplicada al proceso físico. Un cambio en la energía deentrada al proceso causa que la salida actual del proceso cambie. El cambio de las condicionesson necesarias ya sea por modificaciones a los requerimientos hechos explícitamente, o tambiénpor disturbios o ruido que el medio ambiente o el mismo proceso físico generen.

Existen tres elementos básicos como actuadores:

1. Los motores

2. Las bombas

3. Las válvulas

En los tres casos, las señales de activación pueden ser prender/apagar, es decir binarias. Sinembargo, para una realimentación más eficiente a campo, existe la posibilidad de enviar señalesproporcionales para que se controlen mejor las señales al proceso físico. Los ConversoresDigital Analógico son utilizados para este último efecto.

MOTORES

Motores: Un motor proporciona torque y, por lo mismo, movimiento circular a algún elementodentro del proceso físico que permita modificar las condiciones de dicho proceso, por ejemplo elmovimiento de una banda trasportadora. Existen tres tipos de motores utilizados por losinstrumentistas, de corriente alterna (CA), de corriente directa (CD), a pasos. En general unmotor de CA es más barato que uno de CD, sin embargo es más difícil controlar su velocidad.

Los motores CD son mas fáciles de controlar, sin embargo, generar una señal de control variablees complicado. La alternativa a este problema es el uso de técnicas de PWM (Pulse WidthModulation, por sus siglas en inglés) Una simple salida digital puede hacer este control. Losmotores a pasos son otra alternativa que, con un simple puerto digital, pueden controlar suvelocidad.

BOMBAS

Bombas: Una bomba permite inyectar fluido hacia el sistema de tal manera que éste puedacontrolar alguna variable a través del flujo o la presión ejercida. Por ejemplo, si es gas el fluidoque alimenta a una caldera, el aumentar o disminuir el flujo de gas permitirá que la temperaturaaumente o disminuya.

VÁLVULAS

Válvulas: Las válvulas son elementos que permiten el paso de algún fluido. Bajo la mismaconsideración que las bombas, si se permite más o menos el paso de gas, el quemadorproporcionará más o menos calor al proceso.

Las válvulas, para fines de control, vienen ya motorizadas de tal manera que puede controlarsela apertura y cierre de forma automática.

1.4. Las comunicacionesUn sistema de adquisición de datos en la época actual no es un elemento aislado. Se tiene

que conectar al mundo a través de redes de comunicaciones.

Existen dos posibilidades de conectividad en red: a través de los sensores y a través delprocesador digital. Sin embargo, en los sistemas actuales, las redes pueden interconectar todo através de redes Ethernet.

Comunicación entre sensores

Existe un mundo de redes de comunicación entre sensores, donde podemos encontrar desdelos clásicos con HART que es trasmisión a través del 4 a 20 mA, hasta toda la gama de buses decampo (fieldbus) que existen y que se han popularizado. La Tabla 1.3 nos muestra una lista noexhaustiva de ellos. En el Capítulo 7 se profundizará el tema.

Las capacidades de conectividad se pueden lograr de varias maneras; sin embargo, una delas más socorridas actualmente es que el mismo sensor tenga integradas dichas capacidades, locual los convierte en trasmisores y/o sensores inteligentes.

Los transmisores son sensores que tiene capacidad de conexión a través de una red,normalmente de tipo serial. Existen dos vertientes:

• Transmisores de despliegue: Contienen un display local que permite leer directamente elvalor de la variable, además de transmitir esta información.

• Transmisores ciegos: No tienen capacidad de despliegue local.

Por otro lado, existen sensores con mayores capacidades de procesamiento, gracias a unencapsulado que los hace muy eficientes, al grado que se les denomina sensores inteligentes.Los sensores inteligentes integran dentro del mismo encapsulado:

• Sensor

• Acondicionador

• Interfaz de comunicación

• Autodiagnóstico

• Autocalibración (span, cero)

También incluyen un microcontrolador que integra alguna técnica de procesamiento de señal,lo que permite discriminar errores de lectura o manejar señales con incertidumbre (ruidosas).Además, esta capacidad se utiliza para mejorar la administración de los sensores con ayuda delenguajes especiales, los denominados Lenguajes Descriptores de Dispositivos (DDL por sussiglas en inglés), los cuales permiten una estandarización, no sólo en la conectividad, sino através de la administración de redes de sensores.

Los cambios tecnológicos nos llevan a crear una red muy amplia a través de mecanismos decomunicación muy versátiles como lo son las redes inalámbricas, lo cual nos lleva al concepto de“Red Inalámbrica de Sensores” o WSN, por sus siglas en inglés. La capacidad inalámbrica decomunicación tiene muchas ventajas, entre ellas:

1) Ahorro en alambrado

2) Administración más simple

3) Capacidad de expansión más simple

A su vez tienen, la desventaja de la baja autonomía por el consumo de energía que utiliza. LasWSN son cada día mas comunes y sus aplicaciones se diversifican, desde una red de monitoreode ambientes ecológicos hasta una red con aplicaciones militares. Esperemos que día con díacrezcan las aplicaciones civiles y utilicemos esta tecnología con fines pacíficos al servicio de lasociedad. En el capítulo 7 abordaremos con más detalle estos tópicos.

Conclusión del capítulo 1

Actividad del capítulo 1Ejercicio integrador

Recursos del capítulo 1» El siguiente video es un tutorial corto que muestra algunos principios del proceso de

adquisición de datos.

http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-169