Tema 02: Introducción a la instrumentación electrónica

1M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.comedfrancom@ipn.mx@edfrancom edgardoadrianfrancom

http://www.eafranco.com/mailto:edfrancom@ipn.mx

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

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Definiciones previas• Sensor: Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o

químicas, y transformarlas en variables eléctricas bien definidas ycaracterizadas.

• Transductor: Dispositivo capaz de transformar o convertir undeterminado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a lasalida.

• Corriente: Es el flujo de carga (movimiento de electrones) porunidad de tiempo que recorre un material.

• Voltaje: Es una magnitud física que cuantifica la diferencia depotencial eléctrico entre dos puntos.

3

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Variable física: Es la magnitud de algo que puede influir en elestado de un sistema físico. p.g. peso, velocidad, fuerza, etc. Lasmagnitudes pueden ser escalares o vectoriales.

• Medir: Asignar un valor numérico a una magnitud concreta, deacuerdo a una regla bien definida.

• Error: Juicio, valoración o resultado que contraviene el criterio quese reconoce como válido.

• Muestreo: Tomar distintas mediciones de una variable a tiemposdiscretos.

• Control: Área de la ingeniería que estudia sistemas que puedenregular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograrun funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan lasprobabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados.

4

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Automatización: Área de la ingeniería que estudia sistemas oelementos computarizados y electromecánicos para controlarmaquinarias y/o procesos industriales de manera autónoma.

• Actuador: Es un dispositivo capaz de influenciar sobre unentorno, a través de transformar energía hidráulica, neumática oeléctrica en la activación de un componente capaz de activarpartes de un proceso, p.g. encender un ventilador, abrir unaválvula, etc.

• Instrumentación: Área de la ingeniería que trata de la mediciónpara el control de procesos, con base en instrumentos demedición.

• Electrónica: La electrónica es la rama de la física y especializaciónde la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyofuncionamiento se basa en la conducción y el control del flujo delos electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. 5

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Introducción• ¿Qué es una medida?

• La medida consiste en la determinación de una magnitud porcomparación estándar. Si utilizamos los sentidos, la percepción y lamedida de magnitudes físicas no puede realizarse con precisión yaque no todos percibimos de la misma manera, además de quenuestros sentidos son limitados .

• P.g. No escuchamos sonidos mayores a 20kHz, no vemos ondaselectromagnéticas fuera del espectro visible.

• Los instrumentos son capaces de cuantificar de formasistemática.

6

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Nuestro entorno diario se encuentra rodeado por instrumentos demedida. El más ubicuo es el reloj, pero en las casas abundan lostermómetros y otros. Los tableros de los coches están llenos deindicadores de velocidad, revoluciones, nivel de gasolina, etc.

• Un instrumento de medición, es aquel conjunto de elementos queforman un instrumento, capaz de convertir una variable física enuna señal o indicación a ser interpretada por sistema externo(usuario) con mayor facilidad.

7

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Medir• Medir es asignar un valor numérico a una magnitud concreta

(tensión, corriente, potencia, resistencia...), de acuerdo con unaregla predeterminada que esté basada en la experimentación. Todamedida implica cuando menos tres funciones:

1. Detectar la magnitud de interés, empleando si hace falta untransductor, o un sensor que ofrezca una señal eléctrica útil a partirde la señal de entrada;

2. Procesar la señal obtenida por el detector para extraer lainformación deseada y ofrecerla al indicador en forma de una señaladecuada;

3. Presentar la lectura, almacenarla, o transmitirla, o varias acciones ala vez.

8

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

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 lasalida.

9

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Instrumentación electrónica• "La instrumentación comprende todas las técnicas, equipos y

metodologías relacionadas con el diseño, la construcción y laaplicación de dispositivos físicos para mejorar, completar yaumentar la eficiencia de los mecanismos de percepción del serhumano"

• Entre los instrumentos, gozan de especial interés aquellos queutilizan técnicas electrónicas para realizar la medida. Por ello, unade las tecnologías de instrumentación más avanzadas es lainstrumentación electrónica que es la técnica que se ocupa de lamedición de cualquier tipo de magnitud física, de la conversiónmisma a magnitudes eléctricas y de su tratamiento paraproporcionar la información adecuada a un sistema de control, aun operador o ambos.

10

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Variables y señales

11

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez• La información de las variables a medir o que sepretenda capturar se almacenan en algún tipo devariable eléctrica, generalmente tensión. Esavariable eléctrica es lo que se denomina señal.

• La naturaleza de las variables y de las señales que lascontienen pueden ser igual o distinta: el primer caso,la variable y la señal coinciden o son proporcionales,mientras que en el segundo, la variable esalmacenada dentro de algunos de los parámetros dela señal.

12

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Variables analógicas: Cuando los datos constituyenmatemáticamente un conjunto denso; i.e. puede tener cualquiervalor dentro de un intervalo determinado.

• Variables digitales: Cuando los datos constituyen un conjuntofinito de valores, normalmente representados en sistema binario.

13

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Las señales igual que las variables, pueden clasificarse según elmismo criterio, obteniendo señales analógicas y señales digitales.

• Sin importar de si se trata una señal digital o analógica, estapuede contener variables tanto digitales como analógicas.

• Una señal analógica v(t), puede contener información x(t) encualquiera de los parámetros que la definen.

• Valor instantáneo• Amplitud• Frecuencia• Fase

14

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• Valor instantáneo: La variable contenida coincide con la señal o esproporcional a ella.

• v(t)= K x(t)

• Amplitud: En el caso de ser una señal periódica.• v(t)=K' x(t) sen(ωt)

15

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• 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))

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 quehace referencia al control de procesos. La realidad es que las dosdisciplinas (instrumentación y control), están fuertementerelacionadas, desde el diseño y aplicación de un sistema completode medición y control.

16

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Salida

SISTEMA DE CONTROL

PLANTA O PROCESO

OPERADOR

Consigna Entrada

Sistema de control genérico

INSTRUMENTACIONELECTRÓNICA

• El objetivo de un sistema de control es obtener una salida orespuesta que coincida con la que pretende el operador pero sinque intervenga directamente sobre el sistema. Para ello el operadorproporciona consignas o variables de control, que le permitenespecificar la respuesta deseada de la planta. A partir de estasseñales, el sistema de control genera las denominadas señales demando que son las que actúan sobre la planta con el objetivo demodificar la salida del proceso.

17

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Salida

Sistema de control en lazo abierto

SISTEMA DE CONTROL

PLANTA O PROCESO

OPERADOR

Consigna Entrada

AC

TUA

DO

RESSeñales de

mando

Potencia

DISPOSITIVOS DE SEÑAL DISPOSITIVOS DE POTENCIA

• En un sistema de control en lazo abierto, a cada consigna lecorresponde un modo de funcionamiento fijo. Este métodose utiliza cuando se conoce de antemano la relación entrela entrada y la salida y no existen perturbaciones de ningúntipo.

• Una perturbación es una señal que modifica negativamentela salida de un sistema. Si sobre un sistema se producenperturbaciones impredecibles, los sistemas de control enbucle abierto, no pueden corregir la situación, ya que elsistema de control no recibe información sobre este hecho.

18

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Sistema de control en lazo abierto

SISTEMA DE CONTROL

PLANTA O PROCESO

OPERADOR

Consigna Entrada

AC

TUA

DO

RESSeñales de

mando

Potencia

DISPOSITIVOS DE SEÑAL DISPOSITIVOS DE POTENCIA

INSTRUMENTACIONELECTRÓNICA

• En un sistema de control realimentado, ahora el operador fija lasvariables denominadas consigna o de referencia, y el sistema decontrol genera las señales de mando adecuadas para conseguirque la salida del proceso, variable regulada, se mantenga en elvalor deseado a pesar de las perturbaciones exteriores. Esto esposible, ya que se alimenta al controlador de una "señal deerror", que es la diferencia entre la señal de referencia y la señalde realimentación.

19

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

SISTEMA DE CONTROL

PLANTA O PROCESO

OPERADOR

Consigna Entrada

Sistema de control en lazo cerrado o realimentadoA

CTU

AD

OR

ESSeñales de mando

NODO SUMA

Señale de error

+-

Variable regulada

Salida

• En este caso la instrumentación se requiere para monitorear lasvariables de la planta o proceso para alimentar la operación decontrol.

20

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

SISTEMA DE CONTROL

PLANTA O PROCESO

OPERADOR

Consigna Entrada

Sistema de control en lazo cerrado o realimentado

AC

TUA

DO

RESSeñales de

mando

NODO SUMA

Señale de error

+-

Variable reguladaSalida

INSTRUMENTACIONELECTRÓNICA

• Cuando a una planta se le aplica un control automáticorealimentado, el interés de la instrumentación electrónicaradica en las técnicas y procedimientos que esta disciplinaaporta para medir la variable de proceso e informar alsistema de control.

• El conocimiento del estado de un proceso se realiza a travésde la medida de sus variables, y esa labor se realiza a travésde procedimientos electrónicos de instrumentación,diseñando un sistema/instrumento de medida.

21

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Componentes de un sistema/instrumento generalizado de medida

22

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

Sistema físico

SensorTransductor

Acoplamiento (Acondicionamiento de señal)

Presentación / Transmisión/ Toma

de datos

AmplificaciónTransformación A-DModulación/demodulación

Cadena de medida generalizada

• El sistema físico, es aquel de cuyas magnitudes físicas se quieremedir.

• En el extremo final se encuentra el sistema que permite al usuariotomar nota o almacenar la medida, es decir el sistema depresentación o toma de datos.

• En los sistemas modernos, la presentación y/o toma de datos sehace de forma electrónica, por lo que la variable física a medirdebe transformarse previamente en una señal eléctrica.

23

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• La conversión de la magnitud física de interés en una señaleléctrica del nivel adecuado para la presentación y/o toma dedatos se realiza en dos etapas.

1. En la primera etapa dicha magnitud física se convierte, medianteun transductor en otra magnitud de tipo eléctrico (por ejemplouna resistencia eléctrica).

2. En la segunda etapa, un acondicionador de señal incluye lacircuitería necesaria para convertir la magnitud característica deltransductor en una señal eléctrica de nivel adecuado.

24

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

TransductorAcondicionador

de señal

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 primeraguerra mundial, por el alemán Khris Osterhein y el italianoFrancesco Di Buonanno para medir a qué distancia se encontrabanobjetivos de artillería.

• La palabra telemetría procede de las palabras griegas τῆλε (tele),que quiere decir a distancia, y la palabra μετρον (metron), quequiere decir medida.

25

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• El envío de información hacia el operador en un sistema detelemetría se realiza típicamente mediante comunicacióninalámbrica, aunque también se puede realizar por otros medios(teléfono, redes TCP/IP, enlace de fibra óptica, etcétera). Lossistemas de telemetría reciben las instrucciones y los datosnecesarios para operar mediante desde el Centro de Control

26

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• La telemetría se utiliza en grandes sistemas, tales como navesespaciales, plantas químicas, redes de suministro eléctrico, redesde suministro de gas entre otras empresas de provisión deservicios públicos, debido a que facilita la monitorizaciónautomática y el registro de las mediciones, así como el envío dealertas o alarmas al centro de control, con el fin de que elfuncionamiento sea seguro y eficiente. Por ejemplo, las agenciasespaciales como la NASA, la Q.K, la ESA y otras, utilizan sistemasde telemetría y de telecontrol para operar con naves espaciales ysatélites.

• La Telemetría se utiliza en infinidad de campos, tales como laexploración científica con naves tripuladas o no (submarinos,aviones de reconocimiento y satélites), diversos tipos decompetición (por ejemplo, Fórmula 1 y MotoGP), o la operaciónde modelos matemáticos destinados a dar sustento a laoperación de embalses. 27

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• En las fábricas, oficinas y residencias, el monitoreo del uso deenergía de cada sección o equipo y los fenómenos derivados(como la temperatura) en un punto de control por telemetríafacilita la coordinación para un uso más eficiente de la energía.

• Una aplicación muy importante de la telemetría es la perforaciónde pozos petrolíferos; ésta se utiliza para la medición conherramientas navegables MWD1 y LWD.2 Se utiliza básicamentela telemetría de pulso de lodo, que se transmite a través de latubería de perforación por medio del lodo de perforación.

28

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

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 decomputadoras de bajo costo (nodos), equipados con sensores, quecolaboran en una tarea común.

29

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez

• 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 losmédicos en caso de ser necesario.

• Frecuentemente se trata de sistemas organizados en una BAN (body-area network).

30

Inst

rum

en

taci

ón

02

Intr

od

ucc

ión

a la

inst

rum

en

taci

ón

ele

ctró

nic

aP

rof.

Edga

rdo

Ad

rián

Fra

nco

Mar

tín

ez