Sensores y actuadores

1Sistemas de Instrumentacin

E.T.S.I. Telecomunicacin

Departamento de Tecnologa Electrnica

Bloque Temtico I: Del mundo fsico al controlador

1er Curso del Mster Universitario enIngeniera de Telecomunicacin

6 Crditos ECTS

Curso Acadmico 2015/2016

Tema 1 1Sistemas de InstrumentacinMster Universitario en Ingeniera de Telecomunicacin

oque e t co e u do s co a co t o ado

Tema 1. Introduccin a los sistemas de instrumentacin

Profesor: Alberto Poncela Gonzlez

ndice1. Qu es la Instrumentacin Electrnica?

2. Elementos de un sistema de instrumentacin

3. Caractersticas de un sistema de instrumentacin

3.1. Caractersticas estticas

3.2. Caractersticas dinmicas

4. Especificaciones de un sensor


21. Qu es la Instrumentacin Electrnica?

La Instrumentacin Electrnica es una disciplina que estudia los sistemaselectrnicos de medida y control. Distincin entre dos subdisciplinas:

Instrumentacin Electrnica de medida. Estimar una magnitud o propiedadcuantificable presentando el resultado de la estimacin.p

Instrumentacin Electrnica de control. Igual que un sistema de medida pero,adems, acta sobre la magnitud o propiedad para que adquiera un valordeterminado.

Objetivo del Bloque Temtico I. Del mundo fsico al controladorDedicado a la Instrumentacin Electrnica de medida, a la que nos referiremos


como Instrumentacin Electrnica. A partir de una magnitud fsica, un Sistema deInstrumentacin acta hoy en da de interfaz entre dicha magnitud y,normalmente, un microcontrolador.

Anlisis de un Sistema de Instrumentacin.

Orientado hacia el diseo de un Sistema de Instrumentacin.


AplicacionesAutomocin. Muchos sensores en un coche (150 200 o ms) en una red (CAN)

Gestin de motor.

Control de emisiones.

Monitorizacin de velocidad, giro, aceleracin.

Sistemas de seguridad: ABS, airbag.

Asistencia al aparcamiento.

Automatizacin del sistema de iluminacin.

Aeronutica


Medida de altitud, velocidad y posicin.

Seguridad: monitorizacin de motores, monitorizacin de flaps.

Medida de la temperatura y el flujo de los fluidos.

Monitorizacin de la estructura.


AplicacionesIndustria

Monitorizacin de maquinaria y componentes: posicin, proximidad,temperatura luminosidad Seguridadtemperatura, luminosidad, Seguridad.

Control de procesos.

Eficiencia energtica.

Logstica: posicionamiento preciso, identificacin, medida y testeo.

Electrnica de consumo

Smartphones y tablets: aceleracin, giro y posicin.


Ocio: videoconsolas y juguetes electrnicos.

Deporte: medida de altitud, presin, velocidad, parmetros biolgicos.

Cmaras digitales: CCD.

Electrodomsticos: flujo, presin, temperatura, nivel. Eficiencia energtica.


AplicacionesMedicina

Bienestar en la vida diaria.

Diagnstico.

Terapia.

Construccin (edificios)

Seguridad: alarmas tcnicas (fuego, gas, agua), alarma de intrusin.

Control del entorno: temperatura, luminosidad, control de persianas.

Eficiencia energtica: monitorizacin y control de consumos, gestin del riego,


gestin del agua, gestin de electrodomsticos.


Diagrama de Bloques

Sistema de Instrumentacin Electrnico Bsico

Fuente de alimentacin. Necesaria para el correcto funcionamiento detodos los circuitos.

Transductor Sistema de medida elctrico que convierte una magnitud o


Transductor. Sistema de medida elctrico que convierte una magnitud opropiedad en algo medible elctricamente (V o I).

Procesado de su salida con el acondicionador de seal.

Transductor de entrada o sensor.

Transductor de salida o actuador.

Transductor. Dispositivo que convierte una seal de entrada de una forma fsicaen otra seal de salida de forma fsica distinta. Convertidor de energa


Sistema de Instrumentacin Electrnico BsicoPor defecto: Transductor Sensor, con salida elctrica

en otra seal de salida de forma fsica distinta. Convertidor de energa

Sensor o Transductor de entrada. Dispositivo que a partir de la energa delmedio donde se mide da una seal de salida traducible que es funcin de lamagnitud medida.

Actuador o Transductor de salida. Dispositivo que convierte la energa deentrada en otra forma de energa de manera que un sistema independientereaccione ante ella.

Acondicionador de seal Adaptar a nuestras necesidades la magnitud


Acondicionador de seal. Adaptar a nuestras necesidades la magnitudelctrica suministrada por el sensor o transductor de entrada.

Amplificacin.

Eliminacin de ruido.

Filtrado.

Desplazamiento de nivel.

Aislamiento elctrico.

Conversin A/D.


Sistema de Instrumentacin Electrnico Bsico

Otro Diagrama de Bloques: interfaz a microcontrolador

La tendencia actual es que el sistema de instrumentacin acte de interfaz


qentre la magnitud fsica (magnitud a medir) y un microcontrolador (C).

Interfaz digital entre CAD y C: por ejemplo, SPI, I2C, CAN, USB.

3. Caractersticas de un sistema de instrumentacin

El comportamiento de un sistema de medida viene condicionado por el sensorempleado.

Los conceptos que se presentan no son de aplicacin exclusiva a lossensores, sino que son comunes a todo instrumento de medida.

Caractersticas estticas. Definen el comportamiento cuando la variablede inters vara lentamente.

Caractersticas dinmicas. Definen el comportamiento cuando las sealesde entrada son variables.



Resolucin.

Fidelidad, repetibilidad, reproducibilidad.

Precisin.

Exactitud.

Curva de calibracin: calibracin esttica, sensibilidad, campo de medida, fondo de escala.

Medida de error: absoluto, relativo, referido al fondo de escala.

Linealidad: resolucin, umbral, histresis.

Derivas.


3.1. Caractersticas estticasResolucin. Incremento mnimo de la entrada para que haya un cambio a lasalida. Si es un transductor, Sensibilidad.

Fidelidad. Cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medidade dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en unamismas condiciones determinadas, prescindiendo de su concordancia odiscrepancia con el valor real. Relacionado con la repetibilidad y lareproducibilidad.

Repetibilidad. Cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento demedida de dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces enunas mismas condiciones determinadas en un intervalo de tiempo corto.

Reproducibilidad. Igual que la anterior en un intervalo de tiempo largo.


Precisin. Ponderacin de un conjunto de cualidades del instrumento:Resolucin + Repetibilidad + Reproducibilidad.

Exactitud. Proximidad entre el valor medido y el valor verdadero definido. Laexactitud se define a travs de comparaciones con una referencia, lo que sellama calibracin.


Curva de calibracinRepresentacin de los valores de salida, y,en funcin de los valores de entrada, x.

Calibracin esttica. Mantener todas las entradas excepto una a un valorconstante. Se vara lentamente la entrada en estudio y se anotan los valoresque toma la salida.


Sensibilidad. Pendiente de la curva de calibracin. En el margen de medida,puede ser constante o no serlo. Si y=f(x):

Interesa que la sensibilidad en un sensor o sistemade medida sea alta y constante.


Curva de calibracin Sensor cuya salida es una funcin lineal de la entrada. Constante para todoel margen de medida. La entrada para una determinada salida se obtienedividiendo por la sensibilidad.dividiendo por la sensibilidad.

Sensor con una relacin no lineal entre la salida y la entrada. Variacin entodo el margen de medida.

No es un aspecto crtico hoy en da.

Microprocesador con tabla en memoria con los valores de entradapara cada valor de salida Con interpolacin se reduce el tamao de la


para cada valor de salida. Con interpolacin se reduce el tamao de latabla.


Campo de medida (rango). Conjunto de valores comprendidos entre loslmites inferior y superior entre los que puede efectuarse la medida.

Ejemplo: termmetro con un rango de -20 C a +60 C.

Fondo de escala (FE) Mximo valor que mide un transductor oFondo de escala (FE). Mximo valor que mide un transductor oinstrumento. En realidad es el rango del transductor o instrumento.

Ejemplo anterior: rango de -20 C a +60 C, fondo de escala de 80 C. Noconfundir con el lmite superior, +60 C, aunque en muchos sistemas coincide.

A veces lo veremos con otros trminos:

Input Full Scale (FS o FE): fondo de escala de entrada (unidades de lamagnitud medida). Ejemplo anterior: FS=FE=+80 C.


Full Scale Output (FSO, FS o FE): fondo de escala a la salida. Es ladiferencia entre las salidas para los extremos del margen de medida.Normalmente la salida es en voltios. Ejemplo anterior: considerando una S=10mV/C, el FSO=FS=FE=S*80 C=10 mV/C*80 C=0.8 V.


Medida de error. El error indica la discrepancia entre lo que indica elinstrumento y el valor real, una incertidumbre. El objetivo es mantener loserrores bajo control al disear el sistema de medida. Formas de expresarlo:

Error absoluto. Diferencia entre el valor medido y el valor real. Dimensional.

Error relativo. Cociente entre el error absoluto y el valor real de la magnitudmedida. Adimensional (%).

Porcentaje respecto del fondo de escala (%FE). Es un error absoluto, puestoque el FE es un valor absoluto.


Muy Importante !

Partes por milln (ppm). Es un error absoluto, puesto que el FE es un valorabsoluto.


Linealidad. Grado de coincidenciaentre la curva de calibracin y unalnea recta determinada.

La No Linealidad especifica lamxima desviacin de la curva decalibracin respecto de la recta dereferencia en el rango de medida.

En la linealidad influyen algunos factores:

Resolucin. Incremento mnimo de la entrada para el que se obtiene uncambio a la salida.

Umbral. Resolucin cuando el incremento se produce a partir de cero.


Derivas. Variacin de la curva de calibracin con ciertos parmetros:temperatura y tiempo fundamentalmente.

Umbral. Resolucin cuando el incremento se produce a partir de cero.

Histresis. Diferencia de medida para una misma entrada, debido a quedicha entrada tome valores crecientes o decrecientes. Debido a la inercia delsensor. Analoga con la magnetizacin de los materiales ferromagnticos.

Derivas con la temperatura

Cmo afecta un coeficiente de temperatura?

Las especificaciones vienen dadas a una temperatura de referencia TA, a la


cual no existe deriva con la temperatura:

Rango operativo de temperatura de T1 (min) a T2 (max). (Ver datasheet)

El coeficiente de temperatura (deriva) se expresa en unidades/C.

Se considera el caso peor, el mximo incremento de temperatura en valorabsoluto respecto a TA. Los incrementos de temperatura sern:


El mximo incremento de temperatura ser:

10

Derivas con la temperatura

Ejemplo

TA=25C (la habitual).


Rango operativo, de T1=-25C a T2=85C.

Incrementos de temperatura:

El mximo incremento de temperatura ser:


Si el coeficiente de temperatura es de 10 unid/C:


Respuesta distinta para seales variables que ante seales constantes por lapresencia de elementos que almacenan energa.

Respuesta frecuencialEl sistema queda caracterizado por su respuesta en frecuencia En la prcticaEl sistema queda caracterizado por su respuesta en frecuencia. En la prctica,la mayora de los sistemas quedan bien representados por funciones detransferencia cuyo grado mximo sea dos o tres.

Ancho de banda. Conjunto de frecuencias comprendidas entre unafrecuencia de corte inferior y una frecuencia de corte superior caracterizadasporque el error de la variable de salida est dentro de una banda especificada.


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Respuesta temporalEl comportamiento de los sistemas deinstrumentacin (o de los sensores) presentaun retardo en su respuesta de salida a partirde los estmulos de entrada.

Tiene especial importancia eninstrumentacin la respuesta de un sistemaen su salida ante un cambio brusco de lavariable de entrada (escaln de entrada),pues incorpora los efectos dinmicos propiosdel sistema.

Considerando una entrada en escaln de


Considerando una entrada en escaln deentrada:

Tiempo de establecimiento. Tiempo quetarda el sistema en proporcionar un valor enla salida dentro de una banda de errordeterminada alrededor del valor final.


En el diseo de un sistema de medida es crucial la eleccin del sensor. Haymuchos factores que influyen, estudiando en ltima instancia la relacin calidad-precio:

Se toma el transductor ms barato que cumple las especificaciones yi it i i t li irequisitos mnimos necesarios para nuestra aplicacin.

Objetivo: evaluar las caractersticas y prestaciones de un sensor (o transductorde entrada).

Modelo general de un sensor Sensor o transductor de entrada: convertidor de energa a energa elctrica.

Entrada: magnitud fsica.


Salida: energa elctrica (normalmente, V o I).

Entradas secundarias: temperatura, tiempo, humedad, excitacin.

Fuentes de error (entre otras): linealidad, sensibilidad, coeficiente de temp.,etc.

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Modelo general de un sensor

H d dT t Ti E it i

Entradas secundarias


Entrada fsica

Salida elctrica

Linealidad Estabilidad

SENSOR

HumedadTemperatura Tiempo Excitacin


Histresis

Repetibilidad

Calibracin

Coef. de temperaturaSensibilidad

Fuentes de error

A partir del datasheet de un sensor se puede obtener su curva de calibracin.

Se suele calcular en condiciones tpicas (ideal) y despus se evalan loserrores que las distintas especificaciones indican.

El modelo general de un transductor nos sirve para calcular el error


El modelo general de un transductor nos sirve para calcular el errorcometido por su uso en una aplicacin.

Una forma muy habitual de expresar el error es como el Error Total Mximo.Consiste en sumar todos los errores en el caso peor.

Clasificacin de los errores


Los errores afectan a la funcin de transferencia ideal (lineal) en tres factores:

1. Errores de offset.

2. Errores de ganancia.

3. Errores de no linealidad

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1. Errores de offset Desplazamiento de la curva real respecto de la curva ideal, sin variar lapendiente.

Independientes del valor de la magnitud fsica


Independientes del valor de la magnitud fsica.

Entre otros, y dependiendo del fabricante y/o sensor concreto: error deoffset, repetibilidad, deriva con la temperatura y el tiempo.


2. Errores de ganancia o sensibilidad(span) Variacin de la pendiente de la curva realrespecto de la curva ideal.


p

Dependen del valor de la magnitud fsica deentrada. Se incrementan linealmente con sta.

Entre otros, y dependiendo del fabricantey/o sensor concreto: repetibilidad, histresis,tolerancia o error fijo, deriva con la temperaturay el tiempo.

3 E d li lid d

Salida elctrica

C id l


3. Errores de no linealidad Desviacin de la curva real respecto de lalnea recta de referencia.

Se suelen incluir dentro de los errores deganancia. Entrada

fsica

Curva real

Curva ideal

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Ejemplo. ADXL203 de Analog Devices. Acelermetro de 2 ejesEspecificaciones



Ejemplo. ADXL203 de Analog Devices. Acelermetro de 2 ejes Rango de medida: -1 g a +1 g.

Tensin de alimentacin: 5 V.


Curva de calibracin en condiciones tpicas (a 25 C)


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Ejemplo. ADXL203 de Analog Devices. Acelermetro de 2 ejesCurva de calibracin. Errores

El rango ideal de seal a la salida del sensor (para cualquier eje) vara entre 1.5V y 3 5 V


V y 3.5 V.

A modo de ejemplo, se calcula el rango de seal a la salida del sensor en elcaso peor (para cualquier eje), teniendo en cuenta el error de offset y el desensibilidad.

1. Offset (2.4 V a 2.6 V)

2. Sensibilidad (960 mV/g a 1040 mV/g).

Considerando ambas fuentes de error, el caso peor sera (para el eje X):


Ejemplo. MPX2050 de FreeScale. Sensor de presinEspecificaciones



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Ejemplo. MPX2050 de FreeScale. Sensor de presin Rango de medida: 0 a 50 kPa.

Tensin de alimentacin: 10 V.


Curva de calibracin en condiciones tpicas (a 25 C)

Curva de calibracin. Errores

En este caso los errores positivos y negativosson iguales.

Offset.

Linealidad.


Histresis de la presin.

Histresis de la temperatura.

Coeficiente de temperatura del offset y laganancia.

Estabilidad

Date post:	07-Jan-2016
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