instrumentacion electrónica de comunicaciones

7/25/2019 Instrumentacion Electrnica de Comunicaciones

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ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALESY DE TELECOMUNICACION

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

INSTRUMENTACION ELECTRNICA DE COMUNICACIONES

(5 Curso Ingenier! "e Te#e$o%uni$!$i&n'

Te%! I

In)ro"u$$i&n ! #os sis)e%!s "e ins)ru%en)!$i&n

*os+ M!r! Dr!,e Mo-!no

D.)o/ "e E#e$)r&ni$! - Co%.u)!"oresS!n)!n"er0 1225


2/33

Con)eni"o

I/3 Sis)e%!s "e ins)ru%en)!$i&n/I/1 Ins)ru%en)!$i&n $o%.u)!ri4!"!/I/ C!r!$)eri4!$i&n "e un ins)ru%en)o/I/6 Con$e.)os es)!"s)i$os "e# .ro$eso "e%e"i"!/ I/5 C7#$u#o "e #! in$er)i"u%8re "e un!%e"i"!/


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1

CAPITULO 1

INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIN

3/3 SISTEMAS DE INSTRUMENTACION/

La ins)ru%en)!$i&n trata los sistemas integrados cuya finalidad es medirmagnitudes fsicas de un sistema externo, elaborar la informacin asociada a ellas y

presentarla a un operador.

Las caractersticas por las que la )e$no#og! e#e$)r&ni$! es la mas utilizada por lossistemas de instrumentacin, son:

- Las seales elctricas permiten mane!ar seales en un rango din"mico detiempos muy amplio #1$

1%&, desde los picosegundos #1$

-1's & (asta (oras #1$

)s&.

- Las seales elctricas pueden ser transmitidas muy f"cilmente a tra*s decables met"licos, sistemas radiados, o fibra ptica.

- Las seales elctricas pueden ser amplificadas por circuitos electrnicos deforma muy eficientes, y pueden mane!arse rangos de seal muy amplios #1$

1'&,

desde los nano*oltios #1$-+

& (asta los ilo*oltios #1$)

&.

- La sistemas electrnico permite comple!as transformaciones funcionales de las

seales elctricas.

- Las seales elctricas son las m"s apropiada para ser introducidas en

los computadores, los cuales representan el medio m"s potente de registro,transformacin y presentacin de la informacin.

- La tecnologa electrnica actual es la que presenta me!or relacin prestaciones

costo.

La instrumentacin electrnica presenta actualmente ciertas

"es9en)!:!s:

- /resenta un rango de temperaturas limitado desde -%$ 0 (asta 12% 0.

- 3on equipos sensibles a la radiacin de alta energa.- 4equiere una fuente de potencia para su operacin.

- Los componentes electrnicos acti*os suelen presentar deri*a por en*e!ecimiento.


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5n la figura se muestra el esquema b"sico de cualquier sistema de instrumentacin.

3eal fsica 3 e a l e l c tr ic a

Transduccin

3eal elctricaacondicionada

Acondicio-

namiento

6 n f o r m a c i n

Procesado Presentacin

6nformacin

Sistemafsico

Registro

ExcitacinOperador

5stmulo7isparo

a& 8r a n s du ct o r

- 5l transductor es el componente que con*ierte la magnitud fsica a medir, en

una seal elctrica.

- 5n este componente se puede diferenciar entre el sensor, que es el elementosensible primario que responde a las *ariaciones de la magnitud que se mide, y el

)r!ns"u$)or que es el que lle*a acabo la con*ersin energtica entre la magnitudde

entrada y de salida.

5!emplo:

9n transductor de presin se puede construir con una

membrana a la que se une una galga extensiomtrica

#resistencia cuyo *alor depende de su deformacin&.

5n este caso, el diafragma es el sensor, mientras que la

galga es el transductor.

- Los transductores se suelen clasificar en dos grupos:

o Los )r!ns"u$)ores !$)i9os son dispositi*os que generan energa elctricapor con*ersin de energa procedente del sistema sobre el que mide.Los transductores acti*os no necesitan fuente de alimentacin para poder operar.

o Los )r!ns"u$)ores .!si9os son aquello, en los que no se produce con*ersinde energa. lg;n par"metro del transductor es funcin de la magnitud que semide, y las *ariaciones de este par"metro es utilizado para modular la energaelctrica procedente de una fuente que en este caso se necesita.


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8ipo uerza, presin, sonido

/asi*oapacitati*o #distancia& 7esplazamiento, sonido

ariacin de capacidadapacitati*o#dielctrico& /osicin, "ngulo

apacidad #*ariacin&?i*el lquidos, espesor

lula @all >lu!o, campo magntico

5specialeslula fotoemisi*a Luz, radiacin

"mara de ionizacinontador de partculas

8ermopar8emperatura, flu!o trmico

cti*o >uerza electromotriz /iezoelctrico elocidad, *ibracin

lula foto*oltaica6ntensidad luminosa

b& cond ic ion a m ien to de la s e a l.

- 5ste bloque incluye todas aquellas transformaciones que deben realizarse

sobre seales elctricas que resultan en la salida del transductor, y que son pre*ias

al procesado para extraer la informacin que se mide o e*al;a.

- 5xisten dos razones por las que las seales de salida del transductor deban

ser acondicionadas:

1& uando el tipo de seal elctrica que se proporciona el transductor no esun! )ensi&n, se utiliza un con*ertidor desde el tipo de seal de que se trate, atensin.


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s en transductores resisti*os, es normal que se utilice un circuito puente

para con*ertir el *alor de resistencia a tensin. uando el transductor es de

tipo capacitati*o o inducti*o, se suele montar como parte de un oscilador,

y la magnitud de salida es una frecuencia, y debe utilizar un con*ertidor

frecuenciatensin.

'& La seal debe ser acondicionada para in$re%en)!r #! re#!$i&n se;!# rui"o(asta ni*eles adecuados. 5sto tipo de acondicionamiento

implica:

- A%.#i


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canal de comunicacin. /ara adaptar las seales a las caractersticas de canal de

comunicacin es necesario introducir procesos de modulacin, demodulacin o

codificacin apropiados.

f& /r e sen tac in de la info r m a cin

- La informacin resultante del proceso de medida debe ser presentada de

forma comprensible al operador, o elaborada e integrada para que pueda ser

interpretada por un sistema super*isor autom"tico.

- Los sistemas de presentacin de informacin elctrica analgica tradicionales,

(an sido: los indicadores de agu!a, los registradores gr"ficos de papel y los tubos

de rayos catdicos.

- ctualmente, los terminales alfanumricos y gr"ficos basados en

computadores suelen ser el mtodo m"s utilizado para presentar todo tipo deinformacin.

g& =enerador de estmulo

- 5n muc(os casos los sistemas no son acti*os sino reacti*os, y para medir

cualquier magnitud, se tiene que estimular el sistema fsico mediante seales

generadas por la propia instrumentacin de medida.

- @abitualmente el estmulo y el proceso de medida deben estar sincronizados,

de forma que solo las seales que sean respuesta del estimulo sean analizadas.


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3/1 INSTRUMENTACION COMPUTARI>ADA/

Ins ) ru% e n ) o 8 ! s ! "o e n$o % .u )! "o r /

ctualmente muc(os de los equipos de instrumentacin est"n basados en un computador.

5l computador resuel*e todos los aspectos relati*os al procesado de la seal, al registro, a

la transferencia y a la presentacin de la informacin. estos equipos basados en

computador, se suelen llamar instrumentacin inteligente.

La principal diferencia entre un equipo de instrumentacin con*encional, y un equipo

inteligente es que mientras que en el con*encional los datos de medida son generados uno

a uno y deben ser interpretado e interpretados por el operador, en la instrumentacin

inteligente se puede registrar grandes cantidades de informacin de forma autom"tica y

luego presentarla de forma integrada y amigable al operador.

3eal fsica 3 e a l e l c tr ic a 3eal elctricaacondicionada

6 n f o r m a c i n6nformacin

elaborada

Transduccin Acondicio-namiento

Unidad de adquisicinAnalgica/igital ispla!

Sistemafsico

A"uste autom#tico

$omputador

ontrol

ExcitacinOperador

5stmulo 7isparo %emoria

La instrumentacin computarizada requiere el uso de transductores y circuitos analgicos

que acondicionen la seal a los ni*eles adecuados para ser codificada en las me!ores

condiciones por el con*ertido 7, sin embargo el procesado, elaboracin y presentacin

del resultado en la medida se realizan utilizando softAare.

on la incorporacin del computador, las seales que se adquieren pueden ser procesadas

sin lmite de comple!idad y sofisticacin utilizando tcnicas numricas, a fin de

acondicionarla y extraer de ella la informacin. s mismo, la informacin puede ser

procesada utilizando mtodos estadstico.

5l computador proporciona una amplia gama de recursos para almacenar la informacin

que se adquiere, as como para presentarla utilizando tcnicas numricas y gr"ficas.

La incorporacin del computador presenta grandes

*enta!as:

- La mayor capacidad para procesar, almacenar y presentar la informacin quese obtiene al poder utilizar mtodos numricos.


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-


10/33

3in embargo el )eore%! "e %ues)reo "e N-?uis), establece que si la seal muestreadatiene un espectro limitado, esto es, si su espectro no contiene componentes de frecuenciassuperiores a una frecuencia fm, y es muestreada con una frecuencia superior a foB' fm, el

proceso de muestreo no conlle*a perdida de informacin, esto es, la seal muestreada

puede reconstruirse exactamente a partir de las muestras.

muestreo f )*f filtro +P f /*

*f

m

-f fm

-*f -f *f -f fm

muestreo f ,*f filtro +P f /*

*f

m

-f f -f -*f -f *f fo-f f

m

3i se muestrea una seal que contenga componentes superiores a la mitad de la frecuenciade muestreo, debe pre*iamente ser filtrada con un filtro de paso ba!o de frecuencia decorte fo' #filtro ntialasing&, a fin de que las componentes de frecuencia superior no se

solapen con la frecuencias inferiores, distorsion"ndola.

9n muestreo a una frecuencia superior a la de ?yquist, permite su reconstruccin exacta,

pero supone un incremento de registro de datos y un mayor flu!o de procesamiento.

Pro$eso "e "is$re) i4 !$ i& n

La codificacin de un *alor analgico mediante un cdigo numrico implica un proceso

de discretizacin, y en consecuencia de la introduccin de un ruido que degrada lainformacin que transfiere.

9n con*ertidor 7 que codifica una tensin analgica mediante un cdigo binario se

caracteriza por los siguientes par"metros:

R!ngo "in7%i$o: @ace referencia al rango de *alores de tensin de entrada #>36 C >33&que pueden ser codificados por el 7. 5l con*ertidor admite entradas que *erifican

>36D*7D>33. 5l rango completo de con*ersin es >3B>33->36.

o

o m

m

f

m f o om

o f

o

o

f

o m

m

fo

f

mf

m o o oo

f

m


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Po#!ri"!": Los con*ertidores pueden ser uni.o#!r si slo admiten tensiones de entradade una sola polaridad o bipolar si admite tanto tensiones de entrada y de salida.

$digo

.......0..0.

0...0..00.0.

0.0000..00.0000.0000 1 1 1

0 . * 2 3 4 5 * - * -* * -. 6+S7 +S7 +S7 +S7 +S7 +S7 +S7

- 1+S7 +S7 +S7

Error cuanti(acin

8 +S7

-8 +S7

9. +S7 :* ;S< ;S

6

Reso#u$i&n: 5s el rango de entrada que corresponde a cada cdigo de salida. 3edenomina1-L3E #rango que corresponde a la *ariacin del bit menos significati*o&.@abitualmente se expresa como el n;mero de bits del cdigo que genera en su salida. 9ncon*ertidor con ?-bits de resolucin, tiene '

?cdigos, y cada cdigo se corresponde a

una tensin de '- ?

F>3 *oltios.

Error "e $u!)i4!$i&n: es la diferencia entre el *alor de la entrada y el *alor nominal quecorresponde al cdigo correspondiente de salida. 5l m"ximo error de cuantizacin es GH

L3E B G'

-#?I1&

F>3.

Tie%.o "e $on9ersi&n: 5s el m"ximo tiempo que transcurre entre que se dispara lacon*ersin y se (ace disponible el cdigo de salida. 5l tiempo de con*ersin representa

el mnimo de del periodo de muestreo #o lo que es lo mismo el m"ximo de frecuencia de

muestreo&.


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En)o r n o "e ins) r u % en )! $i & n $o n)ro #! "o . o ro r "en ! "or/

9n sistema de instrumentacin requiere operar siempre con prestaciones de tiempo real, y

el desarrollo de softAare con este tipo de requisitos es difcil de desarrollar. 5ste

problema se resuel*e utilizando equipos de instrumentacin de propsito especfico, parae!ecutar las tareas crticas y de!ar para el instrumentista solo el desarrollo del softAare de

tipo con*encional #sin requisitos de tiempo real& que realiza desde un computador el

control y coordinacin de los equipos y la recuperacin, integracin y presentacin al

operador de la informacin que proporcionan estos instrumentos.

5n estos casos, el computador controla y gestiona los diferentes equipos y almacena e

integra la informacin que generan.

enta!as que se obtienen de estos sistemas

son:

- /ermiten construir estructuras comple!as de instrumentacin utilizando equipos

sencillos de ba!o costo.

- /ermite lle*ar a cabo operaciones comple!as que se pueden repetir en periodos

de tiempo cortos.

- /ueden integrar informaciones muy comple!as utilizando los recursos del

computador.

- ?o requiere el desarrollo de softAare con requerimientos de tiempo real.


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La arquitectura de un entorno computarizado es definido por el 8us "e $o%uni$!$iones,que establece la interoperati*idad entre los equipos, definiendo los modos de transferencia

de comandos de control y de informacin entre ellos. 5n un sistema instrumental el bus

de comunicaciones debe corresponder a un est"ndar, de forma que los equipos queintegren el sistema puedan ser de cualquier fabricante.

5n funcin de las caractersticas de despliegue que se necesita, se suelen utilizar

diferentes tipos de buses.

Los equipos se instalan en un

armario:

o Eus J


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I/ CARACTERI>ACIN DE UN INSTRUMENTO/

5n este apartado se *a a tratar la forma de caracterizar el comportamiento de un sensor o

instrumento de medida como $!:! negr!, esto es, a tra*s del an"lisis de las respuestasque ofrece a un determinado con!unto de estmulos de entrada y sin que se utilice la

informacin de su estructura y diseo interno.

s mismo, consideramos una @i.&)esis "e)er%inis)!, esto es, que la respuesta delsistema de instrumentacin a una misma entrada es siempre la misma.

La caracterizacin se realiza de forma independiente ba!o dos

situaciones:

comportamiento es)7)i$o y comportamiento"in7%i$o.

A/ Co %. o r ) ! %ie n )oes ) 7 )i $ o

9n sistema opera en r+gi%en es)7)i$o, si la *ariable que se mide permanece constante enel tiempo, o cuando en cada medida se espera para medir la salida un tiempo suficiente

para que la respuesta (aya alcanzado el *alor final o rgimen permanente.

5l rgimen est"tico es ;til para caracterizar el comportamiento del sistema de

instrumentacin cuando la magnitud que se mide *aria con un espectro frecuencial que

slo contiene componentes inferiores a la !n$@ur! "e 8!n"! del equipo de medida.

Los principales par"metros que se utilizan para caracterizar el comportamiento est"tico de

un instrumento son:

/ar"metros que caracteriz a n los lmites de medid a :

- R!ngo "e %e"i"! #range, span, input full scale&: on!unto de *alores dela magnitud que se mide para los que el sistema de instrumentacin proporcione

una respuesta correcta. 8ambin se suele denominar r!ngo "in7%i$o delinstrumento.

q 9=alor medidoon! %uer)! (dead !one):

5s el rango de *alores de la magnitud que se mide alrededor del *alor nulo, para

el que el instrumentos no proporciona respuesta.

- is)+resis (#ysteresis):

5s la diferencia que se obtiene en la respuesta del

instrumento de medida en funcin del sentido en

que se (a alcanzado la magnitud que se mide.

- S!)ur!$i&n (saturation):

q

rango

(istresis

5s el ni*el de entrada a partir del cual la

significati*a. 3e suele expresar con referencia a

un determinado error de linealidad.

C!#i8r!$i&n

zona

muerta

*alor m

saturacin

La calibracin de un instrumento consiste en modificar la cur*a de transferencia de un

equipo para que proporcione resultados de medida que se correspondan lomas

exactamente posible con el *alor que se mide.

- 5n el caso de un sistema lineal la calibracin sepuede realizar a!ustando su dos par"metros: el

ni*el y las sensibilidad.

-

- La calibracin puede realizarse con dos medidas:

o 4ealizando una medida nula #blanco& sea!usta el ni*el u offset.

o 4ealizando una medida de un *alor conocido#patrn& se a!usta la sensibilidad.

q

!usteni*el

Respuesta ideal

!uste

sensibilidad

Respuesta real

m

5xiste un problema in(erente a la calibracin, y es la necesidad de conocer el *alor real

de un con!unto de medidas:

- @ay ciertos *alores que son f"ciles de determinar, como por e!emplo el *alor nulo

#blanco&

- @abitualmente se requiere disponer de muestras con *alores bien conocidos

#patrones&.

- ?ormalmente se requiere disponer de un equipo calibrado de mayor precisin

que proporciones el resultado de la medida buscado.

- /ara ciertos ni*eles de precisin se requieren centros o laboratorios especficos

de calibracin #por e!emplo, 5< entro 5spaol de


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B/ Co%.or)!%ien)o "in7%i$o

5l comportamiento din"mico de un instrumento caracteriza las dependencia que tiene

la respuesta que se obtiene de l de la *elocidad con la que la magnitud que se mide

est" cambiando.

La caracterizacin din"mica completa de un sistema lineal se realiza por su diagrama

de respuesta frecuencial o diagrama de Eode. 3in embargo, no es (abitual utilizar un

instrumento como filtro frecuencial, por lo que su caracterizacin suele ser mas

sencilla, solo se necesita caracterizar el rango de frecuencias en el que puede operar

con una precisin determinada.

5l par"metro de caracterzacin din"mica mas frecuente es la !n$@ur! "e 8!n"! delinstrumento #band$it#&, que establece la frecuencia para la que la respuesta a una

seal sinusoidal cae ) dE #$.2& respecto del *alor de ba!a frecuencia #est"tico&. 5ste

par"metro es muy grosero y debe ser tenido en cuenta solo a efectos de orden de

magnitud.

0/5

7@


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I/6 CONCEPTOS ESTADSTICOS DEL PROCESO DEMEDIDA/

5l ob!eti*o de un sistema de instrumentacin es medir una magnitud de la forma mas

precisa. 3in embargo, no (ay ning;n instrumento ideal que sea capaz de medir conabsoluta precisin, y un aspecto fundamental de cualquier equipo de medida es la

caracterizacin de la aproximacin con que mide.

uando se mide una magnitud fsica, es importante considerar cuanto de prximo es el

*alor %e"i"o del *alor 9er"!"ero. 5l *alor medido es el *alor cuantitati*o de unamagnitud que se obtiene a tra*s de un proceso de medida. 5l *alor *erdadero es aquel

que corresponde a la definicin conceptual de la magnitud de que se trate, o

alternati*amente, es el *alor de la magnitud que se medira mediante un mtodo de

medicin perfecto. 5n general, este *alor es desconocido y muc(as *eces es

incognoscible. 5n metrologa, el *alor *erdadero se refiere al *alor que se obtendrautilizando un %+)o"o .!)r&n/

La falta de precisin de un instrumentos se puede explicar en funcin de los errores que

se generan en los equipos y en los procesos con que se realiza la medida. Los errores que

se cometen pueden clasificarse como:

- Errores sis)e%7)i$os: 3on los debidos a defectos o fallos en el sistema demedida #5rrores instrumentales&, o a las condiciones ambientales en que se

desarrollan #5rrores sistem"ticos ambientales&.

- Errores !#e!)orios 3on aquellos de naturaleza accidental, que sonintroducidos por el procedimiento de medida que se sigue.

Los errores sistem"ticos se disminuyen mediante la calibracin del instrumento.

Los errores accidentales se disminuyen mediante an"lisis estadstico.

1merode medidas

Error sistem#tico

Error aleatorio

qqi m

5n la siguiente tabla se muestra una clasificacin de los errores, su origen y las

estrategias que pueden seguirse para disminuirlos.


20/33

Errores de medida

Errores Bumanos Errores del sistema Errores aleatorios

Errores del equipo Errores amCientales

- Errores de nolinealidad

Ejemplos:- Ruidos- ?nterferencias aleatorias- Uso de t'cnicas estadsticas

Estimacin:- 1o pueden cuantificarse

Mtodo dereduccin:- extremando la atencin

- %oti6acin porresultados correctos

- Respeto lmites de equipos- uplicar oCser6adores- %ltiples medidas

Estimacin:- =alidacin con equipDest#ndar- $omproCando la naturale(adel

error 9constante o proporcional

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