Sistemas de Instrumentación analógico y digital Sistema de instrumentación analógica Son aquellos cuya señal varía de forma continua y mantiene una relación fija con la entrada. La utilización de instrumentos análogos en la actualidad esta muy extendido, a pesar de que los instrumentos digitales crecen de manera exponencial en número, versatilidad y en aplicaciones. Es lógico todavía pensar en que los instrumentos analógicos se sigan utilizando durante los próximos años y que para algunas aplicaciones no puedan ser sustituidos. Los instrumentos análogos se pueden clasificarse según algunos autores así: a. Instrumentos en los que se utilizan el movimiento de una bobina móvil como elemento sensor. (Bobina móvil y hierro móvil). b. Instrumentos que se utilizan en un tubo de rayos catódicos (C.R.T) como medio de visualización. c. Instrumentos que utilizan cintas magnéticas como medio de almacenamiento (registro) Para nuestro causo de estudio solo trataremos el osciloscopio, debido al gran avance de las bases de datos, las redes de computo entre otros. El osciloscopio Es un instrumento electrónico muy utilizado para la medición y análisis de señales. En la actualidad están siendo remplazados por los osciloscopios digitales, los analizadores de líneas y las tarjetas de adquisición de datos. Su principio de funcionamiento consiste en un haz electrónico que se traza sobre una pantalla con recubrimiento fosforado llamada tubo de rayos catódicos.
La pantalla tiene la forma de un gráfico bidimensional que muestra cómo la señal varía con el tiempo o con alguna otra señal. El osciloscopio puede ser asimilado como un voltímetro, pero existen componentes adicionales que lo hacen ver como algo más que un voltímetro con pantalla. Un osciloscopio básico cuenta con las siguientes componentes: Sistema de visualización. Tubo de rayos catódicos que convierte las señales de deflexión vertical y horizontal en desplazamiento de un punto fluorescente en la pantalla. Sistema de deflexión vertical: Entrada que produce una deflexión en la pantalla en la dirección vertical. Sistema de deflexión horizontal: Entrada externa que produce una deflexión en la pantalla en la dirección horizontal o una señal de base de tiempos interna con una deflexión a velocidad constante que cruza la pantalla en la direccional horizontal. Sondas: conexión externa del osciloscopio para la adquisición de la señal a analizar. Fuente de alimentación.
Un sistema de Instrumentación digital esta estructurado como se muestra en la siguiente figura 1
Figura 1.
Sistema de Instrumentación digital
El sistema general de instrumentación consta de 6 niveles a saber: Sensores Acondicionamientos de señales Digitalización y multiplexación Procesamiento, análisis y control Redes de comunicación Actuadores La instrumentación y la teoría de control basan sus desarrollos en la necesidad de adquirir señales que provienen del medio con el fin de ser procesadas y analizadas.
Siempre será conveniente que el ingeniero integrador de sistemas tenga presente que toda instrumentación comienza con el sensor, un buen conocimiento de estos traerá como consecuencia proyectos seguros, óptimos y rentables. En sensor tiene como función básica adquirir señales provenientes de sistemas físicos para ser analizadas, por lo tanto se podrán encontrar en el medio tantos sensores como señales físicas requieran ser procesadas. El sensor es por lo tanto un convertidor de energía de un tipo en otro. Los más comunes de las conversiones son a energía eléctrica, mecánica o hidráulica. Los sensores que convierten una señal física cualquiera a una eléctrica son generalmente llamados sensores. Los que convierten una señal eléctrica en otro tipo de señal son denominados actuadores. Algunos autores llaman a los primeros transductores de entrada y a los segundos transductores de salida. Sien embargo la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), define el sensor como sinónimo de transductor. www.isa.org El estándar S37.1 de 1969 define el transductor (sensor) como un dispositivo que provee una salida eléctrica en respuesta a una medida especifica. SENSOR PRIMARIO Un sensor en sentido general puede contener varias etapas de transducción, denominándose sensor primario al sensor que interviene en la primera etapa de transducción.
Sistema a Físico
Primer nivel de transducción Sensor - Primario
Niveles de Transducción Secundarios
Señal de Salida
Figura 2. Diagramas de bloques de un sensor con varias etapas de transducción Los sensores primarios pueden clasificarse según la magnitud de entrada que detecten así: Sensores de temperaturas: Bimetales Sensores de Presión: Manómetros de columna de liquido- Tubo en U Sensores de flujo y caudal: Tubo de Pitot en canal abierto y cerrado, caudalimetros de obstrucción, Caudalimetro de área variable –rotámetro-, vertederos de aforo con escotadura rectangular. Sensores de nivel: Sensor de nivel basado en un flotador, de presión diferencial, de burbujeo y medida de presión diferencial. Sensores de fuerza y par, balanzas, muelles con deflexión lineal angular. Materiales empleados en sensores En el comercio existe una gran cantidad de materiales para el diseño de sensores de todo tipo, incrementándose día a día por la carrera investigativa por descubrir nuevo y mejores materiales. Conductores, semiconductores y dieléctricos Basan su principio de funcionamiento en la variación de la conductividad y algunos en la variación de las propiedades magnéticas.
Los conductores: Pueden ser de dos tipos: los metálicos y los iónicos que son los electrolitos (Soluciones de ácidos, bases o sales) que se utilizan como electrodos y catalizadores de reacciones químicas. Semiconductores: En las últimas décadas los sensores basados en semiconductores han tenido su mayor auge. Ahora bien, dependiendo del grado de impurezas con que se dopen los sustratos estos variarán en mayor o menor grado su conductividad eléctrica frente a cambios de: temperatura, deformaciones mecánicas, intensidad luminosa, campos eléctricos, campos magnéticos, radiaciones nucleares, radiaciones electrónicas, entre otros. Son ejemplos de semiconductores empleados en la fabricación de sensores los siguientes: Silicio, AsGa, SbIn, SCd, SPb, SePb Los dieléctricos se emplean como elementos detectores, por ejemplo en condensadores variables donde la composición afecta la constante dieléctrica. Existen dieléctricos cuya constante dieléctrica y conductividad son afectadas por la humedad (materiales higroscópicos que son los que tienen la propiedad de absorber y exhalar la humedad según las circunstancias que lo rodean). Pero la aplicación mas importante de los dieléctricos en sensores son las cerámicas, los polímeros orgánicos y el cuarzo, estos podrían ser utilizados para la detección de gases, humedad, calor, aceleraciones y oxigeno. Materiales Magnéticos Los sensores basados en materiales magnéticos tienen como principio de funcionamiento su permeabilidad magnética, estos a su vez pueden
ser divididos en materiales ferromagnéticos (hierro, cobalto y níquel) y ferromagnéticos (ferritas). Las propiedades magnéticas de estos materiales pueden ser aprovechadas en la elaboración de algunos tipos de sensores (sensores basados en corrientes de Foucault, transformadores diferenciales, transformadores variables, transformadores sincrónicos, sensores magneto elásticos, sensores basados en efectos Wiegand, sensores basados en al ley de Faraday, etc.) A pesar de que pueden existir decenas de clasificaciones para los sensores, tomaremos a manera de guía las siguientes. Atendiendo al tipo de señal de entrada Los sensores pueden ser clasificados dependiendo del tipo de señal al cual responden. Mecánica: Ejemplos: longitud, área, volumen, masa, flujo, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, acústica, longitud de onda, intensidad acústica. Térmica: Ejemplos: temperatura, calor, entropía, flujo de calor. Eléctrica: Ejemplos: voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento dipolar. Magnética: Ejemplos: intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad. Radiación: Ejemplos: intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflactancia, transmitancia, índice de refractancia. Química: Ejemplos: composición, concentración, oxidación/potencial de reducción, porcentaje de reacción, PH.
Atendiendo al tipo de señal entregada por el sensor Sensores análogos. La gran mayoría de sensores entregan su señal de manera continua en el tiempo. Son ejemplos de ellos los sensores generadores de señal y los sensores de parámetros variables. Sensores digitales. Son dispositivos cuya salida es de carácter discreto. Son ejemplos de este tipo de sensores: codificadores de posición, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los sensores autoresonantes (resonadores de cuarzo, galgas acústicas, cilindros vibrantes, de ondas superficiales (SAW), caudalimetros de vórtices digitales), entre otros. Atendiendo a la naturaleza de la señal eléctrica generada. Los sensores dependiendo de la naturaleza de la señal generada puede ser clasificados en: Sensores pasivos: Son aquellos que generen señales representativas de las magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar. Ejemplos: sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable). Sensores activos o generadores de señal: Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de alimentación. Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos.