INSTRUMENTACION ELECTRONICA PARANINFO

840

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  • 1 PARTE

    ~

    INSTRUMENTACION

  • INSTRUMENTACION .,

    ELECTRONICA

    Miguel A. Prez Garca ,

    Juan C. Alvarez Antn Juan C. Campo Rodrguez Feo. Javier Ferrero Martn Gustavo J. Grillo Ortega

    Escuela Politcnica Superior de Ingeniera de Gijn Universidad de Oviedo

    THC>IVISC>N

    Australia Canad Mxico Singapur Espaa Reino Unido Estados Unidos

  • Contenido

    Captulo 1 Introduccin a la instrumentacin electrnica .................................. 1

    1.1

    1.2

    1.3

    1.4

    Captulo 2

    Introduccin ....... .. ............................... ....................................... .. ......... .. .... .. ...... ... ...... . 1.1.1. Variables y seales ... ... .. ........... .. .. ..... ......................... ....... ..... ...... ..... .. ... ... .... ............... . 1.1.2. La instrumentacin electrnica en el control de procesos .................................... ........ . Sistemas de medida ........ ...... .. .............. ... ... ....................... ..... ...... .... ................ .... .. ..... . . 1.2.1. Funciones de un sistema de medida ... ....... ..................... .............. ........... ................ ..... . 1.2.2. Sistemas de medida multicanal ................................. ...... .. ... ......... ..... ........ ...... ...... ...... . 1.2.3. Arquitecturas de los sistemas de instrumentacin ........................................................ . Caractersticas estticas ...................... ... ...... ...... ......... .. ......... ... .... ... .. ........................... . 1.3.1. Curva de calibracin (Static Transfer Function) ..... .... .... .... ............... ..... ................. ... . . 1.3 .2. Errores: exactitud, veracidad y precisin ................................................ ..................... . 1.3.3. Propagacin de errores .... ................................................ ........... ..... .......... .. ....... .......... . 1.3 .4. Calibracin ...... ........... ...... ...... ........ ......... .... .... ...... ....... ... ................ ............... .... .. .. ..... . . Caractersticas dinmicas ............... ..... .... ................ ...... ........ ... ... .... ...... ............ ........ ... . 1.4.1 . Funcin de transferencia .................................................... ................. ....... .... .......... .... . 1.4.2. Caracterizacin de la funcin de transferencia ... ....... .............. ..................................... . 1.4.3. Evaluacin de la respuesta dinmica ..... ......... ............. ... .......... .... .......... ...................... .

    2 5 9

    10 11 13 15 15 20 21 23 25 25 28 32

    Amplificacin...................................................................................... 41 2.1

    2.2

    Captulo 3

    Conceptos generales ............................................ .... .... ............ .. .. .. ... ................ ........ .... . 2.1.1. Amplificar y modificar los valores de una seal. ......................... ........ ........ ... ..... .... .... . 2.1.2. Ruido generado .................................. ........ ........ ...... ...... ...... ............. ......... .......... ... ..... . 2.1.3. Filtrado .. ......... ................. ............ .. ...... ... ................... .... ... .... ......... .... .. ........................ . El amplificador operacional ...... ..... ............. ..... .. ......... ........ ... .. ... .... ....... .. .................... . 2.2.1. El amplificador operacional ideal ..... .. .... ..... .......... ... .............. ..................................... . 2.2.2. El amplificador operacional realimentado en tensin .... ......... ....... ......... ...... ........... ... . . 2.2.3 . Parmetros reales de los operacionales ............................. ........ ..... .. ...... .... ....... ... ... ..... .

    2.2.3.1. Caractersticas estticas de los amplificadores operacionales ...... ..... ... ..... .. .. ... ........ . . 2.2.3.2. Caractersticas dinmicas de los amplificadores operacionales ... ... . 2.2.3.3. Ruido interno .................................... . ............... ............... ...... .

    41 46 46 47 48 48 51 52 55 76 86

    Circuitos amplificadores de uso en instrumentacin ................ .. ...... 99 3.1 Amplificadores de instrumentacin........ ... ................. ......................... .............. ............ 99

    3.1.1. Particularidades del amplificador de instrumentacin.......... ........................... ......... ... . 100 3.1.2. Parmetros que caracterizan a un amplificador de instrumentacin...... ....... .............. ... 11 O

    !TES-Paraninfo V

  • I 1STRUMENTACIN ELECTRNICA

    3 .2 Amplificadores aislados o de aislamiento..................................................................... 115 3.2.1. Tipos de amplificadores aislados.................................................................................. 116 3.2.2. Parmetros caractersticos de los amplificadores de aislamiento....... ........................... 120 3.2.3. Aplicaciones de los amplificadores aislados....................................................... ....... .. . 123

    3.3 Amplificadores de transimpedancia y transconductancia.............................................. 123 3 .3.1. Amplificador de transimpedancia........ .... ...... .. .. ........ .... .... .................................. ......... 124 3.3.2. Amplificador de transconductancia............ .. ............ ... ........... .. ............ ......................... 126

    3.4 Otros tipos de amplificadores........................................................................................ 128 3.4.1. Amplificadores troceadores .......................................................................................... 128 3.4.2. Amplificadores logartmicos................... ................. .................. .................................. 130

    3 .5 Algunos criterios de seleccin de amplificadores operacionales para instrumentacin 134 3.6 Otras consideraciones en el diseo de circuitos con amplificadores operacionales...... 136

    3 .6. 1. Circuitos basados en operacionales con resistencias reales........................................... 13 7 3.6.2. Circuitos integradores. ...... ............ .......................................................................... ...... 139 3.6.3. Circuitos derivadores .................................................................................................... 141

    Captulo 4 Filtros analgicos ................................................................................ 145

    4.1 4.2 4.3

    4.4 4.5 4.6

    4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12

    Captulo 5

    Introduccin .... .. ............................ ................ ................... ........... ........... ..... ... .... ....... ... . Clasificacin de filtros .... .. ........ ........ ...... .. .. ..................................................... ............ . Especificaciones de un filtro ........... ..... ... .. .. ...... .................................................. ........ .. 4.3 .1. Especificaciones frecuenciales .................................................................................... . . 4.3.2. Especificaciones temporales .. .... .. ..... ..... ....... ..... .. ..... ... ... ... ............. ........... .................. . Aproximaciones matemticas ................................ ........ ... ............................................ . Filtros pasivos RC ................................................................. ..... .................................. . Filtros activos ..................................................................................................... ......... .. 4.6.1. Estructuras para la realizacin de filtros activos ........... .. ......... ................... .. .............. .. 4.6.2. Diseo de filtros paso bajo ........... .. ........................................... .... .......... .. ..... ........... .. .. 4.6.3. Diseo de filtros paso alto ....................... ................ ..................... ............ .... ......... ...... .. 4.6.4. Diseo de filtros paso banda y rechazo de banda ................... ...... .... .......................... .. Filtros activos de variables de estado .... .. ........................................ ... .. .......... .............. . Filtros de capacidad conmutada ........................ ............. .............. .... .. .... .... .. ... .... ... ..... . . Seleccin de componentes ................. .......................................... .. ..... ......... ................ .. Programas de ayuda al diseo de filtros ................. ..... .......... .... ............ ........... .. ......... .. Comparacin de tecnologas de filtros .......... ......... .............................. .. ... ....... .......... .. . Aplicaciones de los filtros ............................... .............. .... ........................ ... ..... .. ........ ..

    145 146 148 148 150 151 156 161 161 161 169 170 173 175 179 182 183 184

    Sensores potenciomtricos.. .. . .. .... ...................................... ........... .. .... 191 5 .1 Caractersticas generales . .. . ............................... .... .. ...... .. .... ....... .. .. ........... .. .. ...... .......... 191 5 .2 Parmetros caractersticos de los potencimetros . .. ...... .... .. .. ......... .... .. .. .. .. .. . ............. ... 193 5.3 Tipos de potencimetros....................................... ................. ....................................... 194 5.4 Acondicionamiento de seal en potencimetros..................... .... .................................. 198 5.5 Errores debidos al cableado.............. .............. ........................................... ................. ... 203

    Captulo 6 Sensores de temperatura de resistencia metlica............................... 207

    6.1 Caractersticas generales . . . . .. . .. . . . .. . ... ..... . .... .. .. .. .. .. .. .. . ... .. .. .. .. .. .. . .. .. .... .. .. . . .. .. . . . . . . . . .. . . . . .. . . 207 6.1 .1. Curvas de calibracin........................................................................... .. ....... .......... ...... 208 6.1 .2. Modelo matemtico de la RTD.. ... ...... ............................. ............ ........................ .... .... . 21 O

    VI !TES-Paraninfo

  • CONTENIDO

    6.2 Tipos de RTD. Comparacin general..................................................... ................ ...... . 210 6.3 El autocalentamiento. .. . . . ... ........... .. . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. .. .. ... . . . . . . . .. . . .. ... .. . . .. .. . . . . . . . . .. .. .. 212 6.4 Aplicaciones.... ............... ........ ........ .............. .. ............. .. ........................................ ........ 213 6.5 Acondicionamiento de la seal...................................................................................... 213

    6.5.1. Puente de Wheatstone alimentado con tensin.................................... ... ............... .... ... 213 6.5.1.1. Linealidad.. 214 6.5.1.2. Sensibilidad 215 6.5.1.3. Conexin remota del puente 217

    6.5.2. Puente de Wheatstone alimentado por corriente............ ... ... ......................................... 220 6.5.2.1. Linealidad......... .......... .......... .. 220 6.5.2.2. Sensibilidad....... 221

    6.5.3. Otros circuitos acondicionadores para RTDs ......................... ... .................... .. ............ .. 223

    Captulo 7 Galgas extensomtricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

    7 .1 Principio de funcionamiento .. .... . ... . .. .. ... . .. .. .. .. .. .. .. ... ... .. . .... ........ ... . .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 227 7.2 Tipos de galgas extensomtricas ................................................................................... 230 7 .3 Utilizacin de las galgas extenso mtricas ... .... .......... ... .. .. . . .. ........ ... .. .... .......... ... ... ........ 232 7.4 Circuitos de medida.... ................ ... ......... .......... .......... ................. .. .......................... ...... 234 7.5 Utilizacin de los circuitos de medida...................... ............................................ .... ..... 239 7.6 Aplicaciones.................... ............................. ..... .. ... ......... .. ..... ....................................... 242

    7 .6.1. Medida de estados de deformacin............................................................................... 242 7.6 .2. Medidas de otras variables con galgas extensomtricas...... ........ .. ........ ............. ........ ... 245

    Captulo 8 Termistores y fotorresistencias ........................................................... 249

    8.1 Introduccin............................ ...................................................... ............. ... ................ 249 8.2 Termistores: NTCs ............. .... ... .... .... ... .. ....... .......... ........... ... ..... .... .... ........ ..... .............. 249

    8.2.1. Caracterstica R-T de una NTC.................................................................. ................... 251 8.2.2. 8.2.3.

    Aproximaciones de la caracterstica resistencia-temperatura ..................... ..... ..... .... .... . La NTC como elemento de circuito ................................................ ........ ........ ............ ..

    251 252

    8.2.4. La NTC como sensor de temperatura............ ..... .................. ... ........... ..... ...................... 254 8.2.5. Otras aplicaciones de las NTCs .................................................................................... 258

    8.3 Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTCs).......................................... 262 8.3.1. Principio fisico de funcionamiento .............. .............................. .............. ..................... 262 8.3.2. Caractersticas generales............ ... ......... ................ ........................ .......... .......... .......... 262 8.3 .3. Aplicaciones......................... ...... .. ......... ................. ........ .. ......... ..................... .............. 266

    8.4 Fotorresistencias (LDRs)........................... ... ... ....... .. ...... .. ... ........ ........ .. ........................ 268 8.4.1. Principio de funcionamiento................... .................................................... .. .... .. ..... ..... 268 8.4.2. Modelo de la LDR .. ...... ...... ............................ .... ......... ..... ........... .......... ...... ................. 270 8.4.3. Aplicaciones de la LDR ................. ... .. ... .... ....................... .... .... ........... ........... .. ............ 271

    Captulo 9 Otros sensores resistivos..................................................................... 277

    9.1 Sensores de gases de xidos metlicos semiconductores. ...... ... ........ ....... ... ........ ......... . 277 9 .2 Magnetorresistencias. .. .. .. . . . . .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . .. .. .. .. .... .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... . .. .. 281

    !TES-Paraninfo VII

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Captulo 10 Sensores capac1t1vos....... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 285

    10.1 Introduccin.................................. ............................................................ ...... ...... ........ 285 10.2 Variacin de la capacidad en un condensador de placas paralelas............. ................... 287

    10.2.1 . Condensador simple.............................................................. .... .. ............... .......... ..... .... 287 10.2 .2. Condensador diferencial. .......... ............ ......................................... ................ ............. .. 287

    10.3 Circuitos de medida...... ................ ... ....... ... ...... .. .. .............................. ..... .. ....... ... ...... .. ... 289

    10.4 10.5

    10.3.1. Seal de excitacin............. ... ............................. ........ .... ...... .............. ........... .......... ..... 290 10.3.2. Amplificador de alterna. ..... ........ ......................... .. ......... ... ...... .. ......... ... ...... ................. 290 10.3 .3. Puentes de alterna..................... ... ...... ...... ..... ...................... ....... .......... .... .... ....... .... ...... 291 10.3.4. Oscilador de frecuencia variable..... ....... ....... .......... ....................................... ...... .... ..... 292 10.3.5. Demodulador sncrono ...... ....... ..................... ..... ......... .... .... .... ... ....... ........................... . 10.3.6. Circuitos de capacidad conmutada ........... ... .... .... .... .... .... ...... ..................... ... .... .. ......... . Detectores de proximidad capacitivos ............... ................. ..... ...... ..... ....... .... ... ..... ...... . . Sensores capacitivos en silicio .. ............ .. ......................... .................. ..... .... .... ... .......... .

    292 293 295 297

    Captulo 11 Sensores inductivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . ...... .. . ... .. . . . . . . . . . . . . . . . . 305

    11 .1 Introduccin . .. .. .. .. ..... .. . .. .. . .. . . .. .. .. ... .. ........ . ....... .............. .. .......... .... .... ....... .. . .... .. .. . . .. . .. . . 305 11.2 Sensores inductivos bsicos . .. .. . . . ... .. .. .. .... .. .... .. ........ .. . ... .. ........ .. . ... .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. . 307

    11.2.1. Sistemas con sensores inductivos.............. ....... ... ... ........ ....... ... .... ..... ... ........................ 307 11 .2.2. Circuitos de medida..... ... .... .... ......................... ...................... ... ...... .. .... ...... ....... .. .. ... ... . 309 11.2.3. Sistemas de medida con sensores inductivos ... .... .. ... .... .... .. .................. ..... ........ ...... ..... 311

    11.3 El transformador diferencial lineal (LVDT).... .... .... ... ... ..... ..... .... ........... ....... ........ ........ 311 11.3 .1. Descripcin de funcionamiento. ........... ... ..... .. ............. .. ..... .......... ..... ..... .... ... ... ..... ... ... . 311 11 .3.2. Circuitos de medida. ........ ... .... ........ ....... ... ................. ..... ... ... ...... .... ... ..... .... ...... .. .... ..... . 312 11.3.3. Consideraciones prcticas en el diseo de circuitos con LVDT.................................... 314

    11.4 Otros sensores inductivos...................................................................... .... ... ... ...... ..... ... 318

    Captulo 12 Sensores electromagnticos . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 325

    12.1 Introduccin........ ......... ..... .. .... .... ..... .... ... .......... ............. ..... ..... ..... ..... ................... ........ 325 12.2 Sensores electromagnticos lineales ................. .... ...... .. ... ...... ... ........ .... ............ ..... ........ 326 12.3 Sensores electromagnticos rotativos....... .......... ............ ... ... ...... .. ... ... ....... .... .. ..... ..... ... . 326

    12.3.1 . Sensores electromagnticos rotativos de velocidad angular.................... ........ ........ .. .... 327 12.3.2. Sensores electromagnticos rotativos de posicin angular......... ........... .................. ...... 329

    Captulo 13 Termopares ......................................................................................... 333

    13 .1 Principio de funcionamiento.. ....... ........ .... .. .. ...... ...................... ....... ................ ........ ..... 333 13.2 Tipos de termopares.................... ........... .......... .... .... ......... ...................... ............. .. .. ..... 335 13.3 Curvas de calibracin........................................................................... .................. ....... 337 13 .4 Efectos de las uniones parsitas .. .. . ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . . .. .... .. .. .. .. .. .. .. . ... .. .. .. . .. . . .. . . . 341 13.5 Acondicionamiento de seal....................................................................................... .. 341

    VIII !TES-Paraninfo

  • CONTEN IDO

    Captulo 14 Sensores piezoelctricos...................................................................... 347

    14.1 Introduccin. ............. ................. .............. ......... ... .. ........................................... ...... .. ... . 347 14.2 Comportamiento de los materiales piezoelctricos.......... .... ...... .. ..... ........ ..... ............... 350 14.3 Los dispositivos piezoelctricos como sensores............................................................ 353

    14.3.1. Medida de fuerza, presin y aceleracin ......... ...... ................... ..... ...................... .......... 353 14.3.2. Problemtica de la utilizacin de sensores piezoelctricos........................................ .. . 355

    14.4 Sensores de ultrasonidos................... .. ............... ............ ........................ .................. ..... 364 14.4.1. Los ultrasonidos.. ...... .......... ...... .......... ... ......................... ... ...... ..... ...... ........ ................ .. 365 14.4.2 . Tcnicas de impulso-eco....................... .... ....................................................... .. ....... .. .. 365 14.4.3. Aplicaciones de las tcnicas de impulso-eco.... ....... ...... ... ...... ....... ..... .................... .... .. 370

    Captulo 15 S n . l' t . e sores p1roe ec ricos ....................................................................... . 377

    377 377 379 381 383

    15.1 Introduccin ................. ........................ .................... ................... ........ .... .......... .. ...... ... . 15.2 15.3 15.4 15.5

    Principio de funcionamiento ................................................................. ...................... . . Circuito equivalente de un sensor piroelctrico .......... ................................................. . Acondicionamiento de seal ..... ......................................... .......................................... . Aplicaciones ... ... ........ ........ ...... ..... ..... ... .... ....... ..... ... .................. .... .... ... .... ... ... .. ............ .

    Captulo 16 Sensores optoelectrnicos generadores de seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

    16.1 Fotodiodos y fototransistores ...................................................... .. ..... ........... .... ... ......... 387 16.1.1. Principio de funcionamiento de los fotodiodos...................... ................ ........... ......... ... 387 16.1.2. Tipos de fotodiodos ...................................................................... .. ................. .. ........... 390 16.1.3. Modelo elctrico de un fotodiodo .. ............................ .......... ...................... ... ................ 392 16.1.4. Caractersticas de los fotodiodos............................... .. ........ .. .. .................. ... ..... ............ 393 16.1.5. Acondicionamiento de fotodiodos ....... .... .. .. .. . ............. ...... ...................... ... .. ............ .. . 397

    16. l.5. l. Generalidades...................... ................ . 397 16.1.5.2. Amplificador corriente-tensin (amplificador de transimpedancia).. .. .. 399 16. l.5.3. Problemtica del amplificador corriente-tensin.................... .. .. .. .. .. 403

    16.1.6. Fototransistores..................... .. ...... .. ...................................... .. ...... .. .............................. 405 16.1. 7. Aplicaciones de fotodiodos y fototrans istores .......... .. ........ .. .... .. ...... ................. .. ......... 406

    16.1.7.1. Detectores de proximidad fotoelctricos .. .......... .. ........ 407 16.1.7.2. Codificadores pticos (optical encoders)............. ............ ............... .. ................. 408 16.1.7.3. Sensores de color........... .. ........................................................................... 411 16.1.7.4. Detectores de humo y turbidmetros ......................................... ... 411 16. 1.7.5. Espectrofotometra de absorcin .... .. .. .... ... .. .... ........ .. 412

    16.2 Dispositivos de acoplamiento de carga (CCDs) ................... ... .. ........ .. ........ .................. 413 16.2.1. Principio de funcionamiento.. .. ................................................................................... .. 413

    16.2.1.1. Conversin de la luz a carga elctrica........ ................................ ....... .. ....... 414 16.2.1.2. Transferencia de las cargas .. .... .. .. .... .. .. .. ....... .... .. .. .... .. ........ .. .. ....... .... ... .. ............ 415 16.2.1.3. Conversin de la carga a tensin (etapa de salida)...... ....... ....... ................................. 417

    16.2.2 . Arquitecturas. ...... ............ ....... .... ................ .. ....... ..... ................... .................................. 419 16.2.3 . Caractersticas.... ... ......... .... .... ...... ...... ........ ......................... ........ ................... ............... 42 1 16.2.4. CCDs para deteccin de imgenes en color......... .. ... ............... .... ................ ....... .. ...... .. 422

    16.3 Fotomultiplicadores .......... ............................................... ............. .................. .... .. ...... ... 423 16.3 .1. Principio de funcionamiento..................... .. ... .... ... .. .. .. .................................................. 423 16.3.2. Tipos de fotomultiplicadores .................... .. ...... .................................. ..................... ..... 423 16.3 .3. Caractersticas...................... ... ..... ... ........... ......................... .. ............................... ....... .. 424

    !TES-Paraninfo IX

  • INSTRUMENTACIN ELECTRN ICA

    16.3.4. 16.3.5. 16.3.6.

    Captulo 17

    Alimentacin ........... .. ............................ ... ....... ..... .. .... ....... ....... ......... ...... ............... .... .. . Acondicionamiento de seal ............. .... .... .. ....... .... .... .................. ...... ... .... ............ ....... . Aplicaciones ....... ...... ........ ..... ....... ... .. .. ........ ...... ..... ......... .......... .. ...... .. ... ... ...... .. ... ... .. .. .

    425 426 427

    Sensores de efecto Hall..................................................... ... ............... 431 17 .1 El efecto Hall........................................................................... .... .................................. 431 17.2 Sensores Hall de salida lineal............................... .............. .................................... .. ..... 433 17.3 Sensores Hall de salida digital............... .. ... .. .............. .. ............................................ .. ... 436 17.4 Modos de operacin................ ... .......................................................... .. .... .. .............. .. . 438 17.5 Dispositivos de medida basados en el efecto Hall.................... .. ......................... .......... 440 17.6 Ejemplos de aplicaciones............................................................................. .. ....... ...... .. 442

    Captulo 18 Otros tipos de sensores.................................................. ................... .. 451

    18.l Sensores de fibra ptica........................................................... ................. .. ............. .. .... 451 18.1 .1. Fundamentos de la fibra ptica..................................................... ........... ... .................. 451 18.1.2. Clasificacin de los sensores de fibra ptica.. .. ......................... .. ............... .. ................. 456 18.1.3. Sensores de fibra ptica basados en modulacin de amplitud.. .. ................................... 457 18.1.4. Sensores de fibra ptica basados en modulacin de fase............................................ .. 461

    18.2 Biosensores ............. ....................................................................... ...... ... .... ..... .... ...... ... 464 18.2.1. Introduccin................................ .. ................ ... ............. ......... ........... .... ........................ 465 18.2.2. Tipos de biosensores................... ...... ...... .. ......................... .... ........... .............. .. ............ 466

    Captulo 19 Criterios para la seleccin de sensores...................................... ..... .... 473

    19.1 Medida de la temperatura ......... ........ .... .. .. ........................ .... ................... .. .... ... ...... .. .. ... 473 19.1 .1. Introduccin..................................................................................... ... .. .............. .. ........ 4 73 19.1.2. RTD vs termopar..................................................... .. .... .. .............. .. ..... ... .. .. ................. 474 19.1.3. NTC vs sensores de silicio...................................... .. ........ .. ........ .... .... .... .. .. .. ................ 477 19.1.4. Sensores de radiacin.................................................. .. ................................................ 478

    19 .2 Medida de las principales variables mecnicas........................................ .. ................... 481 19.2.1. Medida de presencia y proximidad............................... ...................... .. .... .. .. ..... .. .. .. .. ... 482 19.2.2. Medida de la posicin.................... .. .... ...... ............................................... .. ............ .. .... 486 19.2.3. Medida de la velocidad .................... .. ............ -.. .... ....... ...... .......... .. .. .... .. .... .................. 493 19.2.4. Medida de la aceleracin y de la vibracin.................................. .. .. .. ....... .... ........ .. ...... 496 19.2.5. Medida de fuerza y de peso.. .. .............. ........ ......................................... .. .... .. .. .. ........... 498 19.2.6. Medida de la presin................................................... ....... .. ........ .. .. .. .... ... .................... 50 l 19.2.7. Medida del flujo........ ...... .... .... ........ ... ............. ...... .. ....... ............... .............. ..... .. ...... .. ... 507 19.2.8. Medida del nivel...................................... .. .. ... ............................. .. .................. .. ........... 513

    19 .3 Medida de magnitudes elctricas.......................................................................... .. .. .. ... 519 19.3.1. Resistencia shunt .......................... ............ ..... ............ .. .. ................................. .. .. ........ .. 5 l9 19.3.2. Transformador de intensidad...... ............ ...... .................. .............. .. ............. .. .... ........... 52 1 l 9.3.3. Sensores de efecto Hall................................. .. ............ .. .. ............. .. .. ...... .. ..................... 523 19.3.4. Sensores magnetorresistivos .................................. .... .... ........ ......... .. ..... ... ................. ... 526 19.3.5 . Sensores de fibra ptica..................................... ........................................... .. ...... .. ...... 528

    19.4 Medida de magnitudes pticas............. .. ........ .. ........................................................ ..... 530 19.4.1. Sistemas de medida de radiacin ptica................................................................. .. ..... 530 19.4.2. Sensores pticos...................... .................................. ...................................... ... .. 532

    X !TES-Paraninfo

  • CONTENIDO

    Captulo 20 Introduccin a la transmisin de seal ............................................. . 537

    537 538 539 546 549 550 551 551 555 559 562 563

    20.1 La transmisin ....... .... ... .. .. ....... .......... ....... ............ ..... .... .. ......... ..... ........................... ... . . 20.1.1. Medios de transmisin .. .... ...... ........... ..... ..... .. ... ...... .......... .......................................... .

    20.1.1.1. Medios de transmisin guiados.. . . ........... ......... .............. ....... ..... ...... .. .... .. . 20.1.1.2. Medios no gu iados. . .................................... . ............ .. ..... .. ...... ..... ......... .. ......... .

    20 .1.2. Codificacin de la informacin ........... ......... ............ .... .... ..... ... .......... ...... .. .... ............. . . 20.2 Telemedida ... .. ...... ........ ... .. ........................................... ........... ................... ... ...... .. .. ..... . 20.3 Bucles de tensin y bucles de corriente ... .................. ..... ....... .... ... .... ............... ..... .... ... . .

    20.3. l. Bucles de tensin .......... .... ..... ........ .......... .... ............................................. ........ ........... . 20 .3.2. Bucles de corriente ...................... .. ........... .............. ....... .. ..... ... ....... ........ .................. .... . 20.3.3. Conversin V/1. ....... ................... ... ......... ....... ........ .................. ... .............. .. ..... .... .... ..... . 20 .3.4. Conversin fN ...................... ................. .. ... .. ................. ...... .... ........ .... .... .. ................. . 20 .3.5. Consideraciones prcticas sobre los bucles de co1Tiente ............. : .... .... ........ ............... .

    Captulo 21 Modulacin y demodulacin ............................................................. .

    21.1 Modulacin con portadora analgica y moduladora analgica .. ............ ................ ... ... . 21.1.1. Modulacin AM ........................... ............... .................................. ....... ... .. .. ............. .... . 21.1.2. Modulacin FM ..................... ........ .... ......... ... .................. ..... .. .. ... ... ... .......................... . 21.1 .3. Modulacin PM ........................... ....................................................... ........ ............... .. .

    21.2 Modulacin con portadora analgica y moduladora digital ................. .. ... ... ......... ....... . 21.2 .1. Modulacin ASK ..... .......... ... ... .... ........ ... .... ... ............................. .... ..... ... ...... ............... . 21.2.2. Modulacin FSK ....................... .... .................. .................................... ........ .. ... ..... .. ..... . 21.2.3. Modulacin PSK ........ .................. ................. .............................. .... ... ..... ........ ........ ..... .

    21.3 Modulaciones con portadora digital y moduladora analgica ...... ............................... ..

    Captulo 22

    567 569 569 573 576 577 577 580 583 586

    Variables muestreadas ........ ........ .. . ........... ........ .. ...... .. . . . ....... .. . . ....... ... 591 22.1 Introduccin .. ... .. ... .. . . .. . . .. . . . .. . .. . . . .. . ... . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. .. .. .. .. . . .. .... .... ..... .. . . . 591 22.2 Variables analgicas, digitales y muestreadas... .... .. ... .. ..... .... .... ......................... ... ........ 591 22.3 Teorema del muestreo.......... .... .. .... .................... .. .............. .. ........ ... ..... .. ... .... ... ... ...... .... 592

    22.3.1. El problema del solapamiento o aliasing .. .... ............ .... ...... ... .. .................................. ... 596 22.3.2. Seleccin de la frecuencia de muestreo............... ...... ........................... ... ..... .... .. ..... .... .. 597 22.3 .3. Limitaciones.... ......... .. .. .. ... .... ....... ............ ..... .. ...... .......................... ............................. 598

    22.4 Variables submuestreadas ............................................ ............................. ... ...... ... ........ 601 22.5 Reconstruccin de seales a partir de muestras... ...... ... ......... ...... ....... ... .... ...... .... .......... 601 22.6 Muestreo y retencin .................... ..... .................. ..... ....... ................... .... ............... .. ...... 603

    22.6.1. El modo muestreo.... ... .... ....... ............... ................. .. ............. ... ........ .............. ... ............ 603 22 .6.2 . El modo retencin............................................ .... ... ..... ... ..... ....... ........................ .... .... .. 604 22.6.3 . La transicin del modo muestreo al modo retencin.............................................. .... .... 605 22.6.4 . Circuitos prcticos de muestreo y retencin ............. .... .. ...... .......... ........ ...................... 607

    22 .7 Multiplexacin de seales analgicas............. .. ..... ........... ... ..... ...... .................... ... ... .... 609 22.7.1. La multiplexacin y la frecuencia de muestreo .... ... ........... ....... ........ .... .... .................... 611

    Captulo 23 Conversin entre variables analgicas y digitales.............................. 617

    23 .1 Cuantificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. .. . .. .. . .. .... . .. . . . .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .... .. ..... 617 23.2 Codificacin..... ........................ ...................... .... ........ .................. ... ......................... ..... 621

    23.2.1. Cdigos binarios unipolares........... ........ ................................... .... ... ............................. 621 23.2.2 . Cdigos binarios bipolares... .............. ...... ... .... ... .... ......................... ..... ............ ..... .. .... .. 622

    !TES-Paraninfo XI

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    23.3 Conversin Digital-Analgica .. ........... ........ ..... .................. .............. ................... .... .. ... . 23 .3. l. Caractersticas de la conversin DI A ........ ... ....... ..... .... .. .... ....................... ................... .

    23.3.1.1. Caractersticas estticas ...................................... .. ....................... ........ ....... .. 23.3.1.2. Caractersticas dinmicas ........... ........ .............. ... .. ........... ..... .... .. .. ..... .... .................. . 23.3. l.3. Errores en los convertidores D/A ........ ................. .............. ...... .... ..... ... ....... .. ....... .... .

    23.3.2. Tipos de convertidores D/A ... .... ... .. ... .... ........ ........ .... ..................... .. ..... ... ................... . 23.3.2 . l. Convertidores de elementos ponderados en binario . 23.3.2.2. Convertidores de cdigo de termmetro ................. .. 23.3.2.3 . Convertidores de redes escalera (/adder) ..... ...................... ... .. 23.3.2.4. Convertidores de tensiones o corrientes segmentadas .. ......... ....... .. 23.3.2.5. Convertidores Sigma-Delta.... . .. ...................... .. ............ .

    23 .3.3. Estructuras de la entrada en los circuitos integrados. Circuitos mltiples .... ............... .. 23.3.3.1. Estructuras de la entrada.. . .............. .. .. .. .... .... .... .. .. .. . .. ............ .......... .. 23.3 .3.2. Convertidores mltiples ........ ................ ............................. ..... .......... .... ...... .. .... .. .... ..

    23 .3.4. Comparacin y criterios de seleccin ........ ... ............................. .. .... .. ...... ............. ..... .. . 23.4 Conversin Analgica-Digital ...... ..... ... ..... ...... .... ........................ .... .... .... ................ .. ... .

    23.4.1. Caractersticas de la conversin ND ....................... .. .... .. .......... ............... ... .. ...... .. ...... . 23 .4. l. l. Caractersticas estticas ........ ............. ........................ .. 23.4.1.2 . Caractersticas dinmicas......... ......... .......... .. ............................ . 23.4.1.3. Errores en los convertidores ND...... .. ....... .. .. ............................ ..

    23.4.2. Tipos de convertidores ......... ..... ... ........ ............... ... .. ........ ... ..... ........ .. ..................... ... .. . 23.4.2. l . Convertidores directos .. ............ ....................................... ......... ....... ...... ... ........... .. .. 23.4.2 .2. Convertidores indirectos ........ . .......... .................................. .... .. ...... .... ..... ..

    23.4.3. Comparacin y criterios de seleccin ................. ..... .. ........... .............. .... .. ................... .

    Captulo 24

    624 625 625 626 628 631 631 634 637 639 641 642 642 643 643 644 645 645 648 649 654 654 659 669

    Procesadores digitales de seal ..................... ................ .... .............. ... 673 24. l Microprocesadores, microcontroladores y DSP .... .... ................ .... .......... ................ ...... 673 24.2 Procesamiento de la informacin . .. .. ... .. .. . .. .. .. .. .... ... . .. ... . .. .. .. .. .. .. ... .. ..... ......... .... ... ... .. .. .. 692 24.3 Comunicacin hombre-mquina .. ..... . .. . . .. . .. .. .. . ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. ... .... ..... .. .. ..... ... 693

    24.3.1. Presentacin de la infonnacin............. .. ............................... ........ .. ........................ ... .. 693 24.4 Sensores inteligentes.... .... ... ........ ................ ....................... .......... ... ...... ... ..... ....... ....... .. 700

    Captulo 25 Sistemas de adquisicin de datos....................................................... 707

    25.1 Introduccin a los sistemas de adquisicin de datos (SAD) ... ...... ... .. ...... ....... .. .... .. ....... 707 25.2 Configuraciones de un sistema de adquisicin de datos... ........ .......... ..... .. ... ..... .. ...... .... 708

    25.2.1. Tarjetas de adquisicin de datos....................... ....... .. ...................... ... ... .. ..................... 709 25 .3 Buses de instrumentos.. ...... .... ........ .... ..... ... .... ......... ... ...... ..... ....... .......... ....... .......... ... ... 716

    25.3 .1. ElbusGPIB ........... ... .. ...... ..... ... .. ...... ..... .. .......... .. ..... .. ....... ............... ............. .. .. ........... 717 25.3.2. Bus VXI .... .. ... ........ .... .......... ......... ................... ........... .. ...... ............. .... .. ..... ...... .. ......... . 721

    Captulo 26 Buses de campo .......... ... . ......................... ........................................... 725

    26.1 Introduccin: conceptos previos .... .... ....... .... ........ .. .... .... ..... ... .... .......... .. ....... .. .... .. ........ 725 26.2 Caractersticas de las redes de control... ... .... .. ........... .. ..... ........ ....... .... ... ......... .. ..... .. .. ... 729 26.3 Buses de campo..... .... .. .. ..... ...... .... ...... .... .... .. ... ... ........ ..... .... .... ........ ... ...... ....... .. ............ 732

    XII !TES-Paraninfo

  • CONTENIDO

    Captulo 27 Software de instrumentacin............... ....... ............ ............................ 741

    27 .1 Instrumentos digitales .. .. .. .. .. ... ... ... .. . .. .. .. .. .... .. .. .... ................ .. . . .. ... . . . . . .. ... .. . . . . ... .... ..... .. . . 7 41 27.2 Software de instrumentacin................ .......... ................................. ........... ................... 741

    Captulo 28 Interferencias electromagnticas........................................................ 7 4 7

    28.1 Introduccin.. .................. ............ .... .. ...... ......... .... ..... ... .......... .............. .. ... .. .. ....... ... .. .... 747 28. 1.1. Definiciones. ..... ........ ....... ............. ... ........................................... .... ...... ......... ... ..... ....... 747 28. 1.2. Desde la fuente a la vctima............ ........ .......... ....... ........ ..... .. .......... ............. ....... ... ..... 749 28.1.3. Normativa ............ ......................... ........ ...... .. ...................... ........ .... ..... ....... .... ... ........... 752

    28.2 Fuentes de interferencias....... ... ........ ............. .... ......... .. ..................... ............... .. ........... 752 28.2.1. Sistemas y componentes sin transitorios............. .... ..... ...... ................. ........ ... .. ..... ..... ... 753 28.2.2. Sistemas y componentes con transitorios................ ........ ........ ..... ...... ..... .............. ... ..... 755 28.2.3. Sistemas generadores de arcos ..... .... ........ ...... .................................... .... .... ........ .... ....... 756 28.2.4 . Otras fuentes de interferencias.... ..................................... .......... ... .................... .. ..... ..... 758

    28.3 Acoplamiento de fuentes de interferencias.. ...... ....... .. ....... .. ...... ... .. ... ... ....... ... .. .... ........ . 759 28.3.1. Acoplamientos conductivos... ............ .... ..... ... ... ..... .. .. .... ..... .... .... .. .............................. .. 759 28.3.2. Acoplamientos no conductivos ...... ................ .......................... ... ... ........... ........ ...... .. .... 763

    28.4 Minimizacin de los efectos de las interferencias. ................................. ..... ....... ........... 770

    Captulo 29 Cableado y apantallado....................................................................... 773

    29.1 Minimizacin de interferencias conductivas.......... ...................................... ....... .......... 773 29. l. l. Conexionado de las masas y alimentaciones. ..... ... .... ..... .................................. ........ .. .. . 773 29.1.2 . Problemtica de la conexin a tierra............. ................. .... .... ........ ... ... .. ...... .. ... ..... ...... 775

    29.1 .2.l. Bucles de tierra .... ........ ........ ...................... .. .............. ..... ........... ..... .......... ................ 775 29.1.2.2 . Punto de conexin a tierra.................. ........ .... ................ ...... ... .... ...... ...... .... 781

    29.2 Minimizacin de interferencias debidas a acoplamientos inductivos......... ..... .. .. .. ... ..... 783 29.3 Minimizacin de interferencias debidas a acoplamientos capacitivos............ .............. 784

    29.3.1 . Guardas activas. ........... .. .... .......... .... ........ ..... ............... ... ............ ..... .... ............ .... ... ... ... 786 29.4 Minimizacin de interferencias radiadas. Pantallas. ...... .................................. ........... ... 789

    29.4.1. Pantallas para campos cercanos.......... ....................................................... .... ............ .. . 791

    Captulo 30 Las tarjetas de circuito impreso.......................................................... 797

    30. J Aspectos generales en el diseo de circuitos electrnicos y normativa.......... ............... 797 30.2 Tarjetas de circuito impreso. Tecnologas...... ............................................................... 801 30.3 Consideraciones de diseo de los circuitos impresos para sistemas de instrumentacin 803

    30.3.1 . Las alimentaciones y la masa ... ... ..... ... .. ...... ...... ..... ............... ........................................ 805 30.3.2. Las pistas de seal... .. ......... ... .. .. .. ........ .. ....... .................. ........ .......... .... .. .................. ... .. 81 O

    30.3.2.1. Trazado de pistas para seales referidas a masa. .... ............ ............. .. ...... ........ ........... 81 O 30.3 .2.2. Pistas para seales diferenciales................................ .......... ................ ........ ....... . 818

    30.4 Qu debemos tener en cuenta?.... ....................... ........ ................................................. 820

    !TES-Paraninfo XIII

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Captulo 31 Seguridad en los sistemas de instrumentacin ... .. .......... ................... 823

    31.1 31.2

    La puesta a tierra .. ..... ............ ............ ............ .. ... ... ... ... ... ....... .... ................ .. ............. .... . Seguridad en atmsferas explosivas .... ... ....... ......... .. ... .... ........ ................... .................. . 31.2.1. Mtodos de proteccin .................... ........ .... ...... ............... .... .. .. ................ ... ..... ........... . . 31.2.2. Seguridad intrnseca ......................................... ........ ............. ... ......... ....... ..... .............. ..

    31.2.2.1. Riesgo de inflamacin debido a chispas .................................. . ..... ....... ........ .. ...... ... . 31.2.2.2. Riesgo de inflamacin debido a temperaturas elevadas ............ . 31.2.2.3. Interfaz entre circuitos de seguridad intrnseca y circuitos sin seguridad intrnseca .. 31 .2.2.4. La puesta a tierra .. 31.2.2 .5. Certificacin

    823 826 828 829 829 833 833 835 836

    Bibliografa y referencias........................................................................................ 839

    ndice alfabtico....................................................................................................... 853

    XIV !TES-Paraninfo

  • Introduccin

    Sobre la estructura del libro El presente libro de instrumentacin electrnica tiene como objetivo establecer conceptos generales sobre los sistemas de instrumentacin electrnica sea cual sea su mbito de aplicacin. Sin embargo, dado el carcter globalizador de los sistemas de instrumentacin en el campo del control de procesos, hemos em-pleado este caso como marco de todo el libro.

    Tratando de huir de un tono enciclopdico se han desarrollado diversos temas que configuran en su con-junto un sistema de instrumentacin genrico. Para no alargar la obra, .en el tintero se han quedado algunos aspectos y el lector echar en falta que no se trate de determinado sensor, aplicacin o circuito de tratamien-to; sin embargo, esperamos que el poso de conocimiento que quede tras la lectura del libro sea suficiente para abordar otros temas no tratados o aquellos sistemas que sencillamente no existen a fecha de hoy.

    Nuestro objetivo ha sido estimular la crtica y el inters por la indagacin del lector en un tema de ndole horizontal, en progreso constante como es la Instrumentacin Electrnica y de tan amplias miras que afecta a la mayora de las facetas de nuestra vida diaria, desde el hogar hasta los lugares de trabajo.

    Para conseguirlo, el contenido de la obra se estructura en 31 captulos y un CD con informacin adicio-nal, pero no menos relevante. Como al principio se indicaba, usando como marco el control de procesos se ha presentado un sistema de instrumentacin electrnica segn se indica en la figura.

    PROCESO SENSOR

    i

    Captulos 5 al 19

    Capitulas 1, 28 al 31

    CIRCUITO DE

    ACONOICIO NAMIENTO

    Capitulas l 3 .Y 4

    TX

    Capitulas 22 y 23

    r Capitulas 24, 25 y 27

    En el captulo 1 se dan las ideas bsicas de carcter general de la Instrumentacin Electrnica y que se usarn despus a lo largo de los dems captulos; el lector debe prestar un especial inters a este captulo. En los captulos 2 al 4 se tratan los sistemas de tratamiento de seal de tipo analgico que usarn los circuitos de acondicionamiento de los diversos sensores tratados en los captulos 5 al 18.

    !TES-Paraninfo XV

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Hemos optado por una clasificacin horizontal de los sensores, por su principio fsico de funcionamiento ) no por la variable a medir porque creemos que esto facilita tanto la comprensin de su modo de trabajo como el estudio de los necesarios circuitos de acondicionamiento cuyas bases ya estn establecidas. Sin embargo, creemos que es necesario tambin hacer una recapitulacin por variable a medir: en el captulo 19 se realiza una clasificacin de tipo vertical, estableciendo los criterios para seleccionar sensores para una medida concreta, sea cual sea su principio fsico de trabajo. El lector podr usar este captulo a modo de resumen de los anteriores, como reforzamiento de los conceptos ya manejados y como pequea gua de diseo.

    La necesidad de transmisin de la informacin procedente de los sensores hasta los puntos de lectura o control se trata en los captulos 20, 21 y 26 de cuyo conjunto se puede extraer el concepto de telemedida como uno de los aspectos que caracteriza la Instrumentacin Electrnica hoy en da.

    Ya sea por necesidades de control ya sea por la necesidad de ajustes, modificacin de la informacin o por su distribucin, la mayora de los datos de un sistema de instrumentacin acaban en algn tipo de proce-sador digital. Para tratar estos aspectos se han dedicado los captulos 22 y 23 al paso de seales analgicas al dominio digital y los captulos 24, 25 y 27 al tratamiento digital de los datos, haciendo especial hincapi en los sistemas instrumentales digitales basados en computador.

    Para concluir el libro se vuelve al concepto general de sistema de instrumentacin para tratar aspectos tan relevantes como las interferencias, la seguridad y el diseo optimizado de los sistemas desde este punto de vista, tanto en el nivel de interconexin de bloques, equipos y subsistemas como en el trazado de tarjetas de circuito impreso.

    Cada uno de los captulos se ha desarrollado tericamente pero obviando los desarrollos matemticos, que el lector muy interesado podr encontrar en la bibliografa que se detalla al final del texto, e incluyendo un buen nmero de ejercicios y ejemplos que contribuyen a hacer ms amena la lectura y permiten compro-bar la asimilacin de los conceptos ms importantes. An est disponible una comprobacin ms, por medio de los problemas propuestos; todos ellos estn completamente resueltos en el CD adjunto pero invitamos al lector a tratar de resolverlos por su cuenta, acudiendo a las soluciones para contrastar los resultados obtenidos.

    Tambin se suministran en el CD adjunto todas las hojas de caractersticas de los dispositivos que se mencionan en el texto del libro y que el lector debe consultar para comprobar que es capaz de asimilar la mayora de los datos que figuran en ellas y conceder la importancia que tengan en cada caso o aplicacin. Tambin el lector podr buscar en Internet --o en otra fuente como catlogos impreso~ nuevas hojas de datos bien sea usando los enlaces que se proporcionan en el CD adjunto o utilizando las herramientas clsi-cas de bsqueda.

    La curiosidad puede hacer interesante conocer cmo son determinados componentes o sistemas y el aspec-to que tienen; para satisfacer esta curiosidad se han proporcionado en el CD adjunto unas cuantas fotografias de sensores y sistemas que ayudarn a una mejor identificacin y a una cierta familiarizacin con ellos.

    Para concluir, queremos destacar un aspecto que consideramos como muy importante: se han realizado cinco diseos completos de sistemas de instrumentacin de diversa ndole que el lector podr consultar en el CD adjunto. No son "problemas" en el sentido clsico que la palabra tiene en el entorno docente, sino que constituyen ejercicios de recapitulacin de una buena parte del texto. Invitamos al lector a que los siga con detalle y con una actitud crtica; como ejemplos de diseo que son, el lector debera ser capaz de proporcio-nar otras alternativas, cuestionar las decisiones tomadas, valorar su mbito de validez, en fin, aprovechar los conocimientos que haya obtenido para alcanzar el nivel de sntesis en la escala del aprendizaje.

    En el CD adjunto hemos incluido unas presentaciones muy sencillas en PowerPoint de todos los captu-los de este texto, incluyendo la mayora de las figuras que forman parte del libro. Creemos que puede ser de

    XVI !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN

    alguna ayuda bien para poder usarlas como estn, bien para modificarlas aadiendo la informacin que esti-me oportuna en la exposicin de la materia a los alumnos. Si desea incluir alguna o parte de las figuras de esas presentaciones o de las fotografas que se incluyen en el CD en cualquier otro documento recordamos la necesidad de cumplir con las condiciones del copyright.

    A pesar del cuidado que hemos tenido en la elaboracin del texto y en la resolucin de los ejercicios y problemas somos conscientes que se habrn colado algunos gazapos. Estaramos muy agradecidos nos hagan llegar cuantos comentarios, sugerencias y crticas tengan a bien hacemos. Solo as podremos mejorar el libro.

    Finalmente agradecer a D Patricia Roldn (Universidad de Oviedo) y a D. Diego Gago (DME S.L.) el esfuerzo y dedicacin que han puesto en la elaboracin de las figuras que forman parte del libro y que se incluyen en las transparencias.

    !TES-Paraninfo XVII

  • 1.1

    1 Introduccin a la . . , 1nstrumentac1on

    electrnica 1.1 Introduccin 1.2 Sistemas de medida 1.3 Caractersticas estticas 1.4 Caractersticas dinmicas

    Introduccin

    La medida consiste en la detenninacin de una magnitud por comparacin con un estndar. Aunque algunos de nuestros sentidos puedan parecernos, a priori, extraordinariamente desan-ollados, la percepcin y medida de magnitudes fisicas no puede realizarse con precisin. En primer lugar, no todos percibimos de la misma fonna, por lo que se hace muy dificil cuantificar con objetividad. Adems, los sentidos son incapaces de estimar ciertas variables fisicas. As, por citar algunos ejemplos, no podemos percibir ondas sonoras de una frecuencia superior a 20 kHz, ni tampoco ondas electromagnticas que salgan fuera de nuestro reducido espectro visible. Para suplir estas deficiencias se recun-e a los instrumentos de medida. Los instrumentos son capaces de cuantificar de forma sistemtica y de "ver" lo que el hombre no es capaz de ver. Un microscopio, por ejemplo, es un instrumento ptico que nos permite reconocer objetos extraordinariamente pequeos y una simple cinta mtrica, otro instrumento del que nos valemos para estimar distancias.

    El ser humano percibe la informacin del mundo que le rodea a travs de sus sentidos y adquiere el co-nocimiento, sobre todo el cientfico, cuando es capaz de cuantificar las magnitudes que percibe, es decir, a travs de la medida. Segn J. Fen-ero [1.17]: "La instrumentacin comprende todas las tcnicas, equipos y metodologas relacionadas con el diseo, la construccin y la aplicacin de dispositivos fisicos para mejorar, completar y aumentar la eficiencia de los mecanismos de percepcin del ser humano".

    !TES-Paraninfo 1

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Entre los instrumentos, gozan de especial inters aquellos que utilizan tcnicas electrnicas para realizar la medida. Por ello, una de las tecnologas de instrumentacin ms avanzadas es la denominada Instrumen-tacin Electrnica que es la tcnica que se ocupa de la medicin de cualquier tipo de magnitud fsica, de la conversin de la misma a magnitudes elctricas y de su tratamiento para proporcionar la informacin ade-cuada a un sistema de control, a un operador humano o a ambos. La instrumentacin electrnica tiene su campo de aplicacin en numerosas actividades relacionadas con la ciencia y la tecnologa donde la electr-nica se incorpor de forma masiva. En el laboratorio y en la industria se realiza un uso intensivo de la ins-trumentacin electrnica porque en estos entornos, como en otros muchos, es necesario medir para conocer.

    1 . 1 . 1 VARIABLES Y SEALES La informacin de las variables que se pretenda capturar se almacena en algn tipo de variable elctrica, generalmente tensin. Esa variable elctrica es lo que se denomina seal. La naturaleza de las variables y de las seales que las contienen puede ser igual o distinta: en el primer caso, variable y seal coinciden ( o son proporcionales) mientras que, en el segundo, la variable es almacenada "dentro" de alguno de los parmetros de la seal. En cualquiera de los casos, variables y seales pueden clasificarse siguiendo varios criterios, pero aqu nos fijaremos en aquellos que resultan interesantes desde el punto de vista de la instrumentacin electrnica. De esta forma, tenemos:

    a) Variables analgicas cuando los datos constituyen matemticamente un conjunto denso 1, es decir, que puede tener cualquier valor dentro de un intervalo detenninado segn se indica en la figura 1.1 a, lo que implica que el nmero total de valores es infinito.

    b) Variables digitales cuando los datos constituyen un conjunto finito de valores; un caso particular de este tipo de variables es el sistema binario que permite dos valores diferentes, denotados nor-malmente por "O" y "1" (figura 1.1 b ).

    x(t)

    (a)

    x(t)

    Nivel "1" -,-.-

    1 1 (b) 1 1

    Nivel "O" --- ---~---- ---

    Figura 1.1. Tipos de variables. Representacin de: (a) una variable analgica y (b) una variable digital binaria.

    Las seales, igual que las variables, pueden clasificarse segn el mismo criterio, obteniendo seales ana-lgicas y seales digitales. Tengamos en cuenta que una seal digital o una seal analgica puede contener

    1 Un conjunto denso de datos es aquel que tiene la particularidad de que entre dos valores cualesquiera de l, se puede incluir otro valor del mismo conjunto.

    2 !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    variables (informaciones) tanto digitales como analgicas. Esto se observa mejor en las figuras 1.2a y 1.2b donde se muestra una variable analgica o en la figura 1.2d, en que aparece una variable digital: ambas pue-den incluir diversas variables cuya naturaleza puede ser analgica o digital.

    V(l),l

    X(t , )=V(t,~ (a)

    ... t

    V(t) t .. ,7 - X(t)=A AA r\riff\/\l(A A A A A A. ~ X(t)=W (b)

    ~ __JJ v v v v v v v v v v v~-

    X(t)=V(t)

    V(l),l

    11\\ 11\\ / f\\ ! \v \V \V

    -'-----!--

    X(t)=+

    V(t),l X(t)=f

    V(l),l

    h1n1n1n1n1n1 1 ww ww wll

    V(t),l .. T ,,_

    ... t

    (e)

    (d)

    (e)

    (~

    Figura 1.2. Seales que guardan informacin acerca de variables: el valor que interesa se guarda en (a) el valor instantneo, (b) la amplitud o (c) la fase de una seal peridica, (d) la frecuencia de

    una seal digita l, (e) la fase de una seal digital o en el ancho de pulso como en (f).

    Teniendo en cuenta lo anterior, tenemos que una seal analgica v(t) puede contener informacin x(t) en cualquiera de los parmetros que la definen:

    a) En su valor instantneo en cuyo caso la variable contenida coincide con la seal o es proporcional a ella segn aparece en la figura 1.2a:

    v(t) = Kx(t) (1.1)

    !TES-Paraninfo 3

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    b) En su amplitud en el caso de ser una seal peridica (figura 1.2b ): v(t) = K'x(t) sen(wt)

    c) En su frecuencia, tambin en el caso de estar en presencia de una seal peridica (figura 1.2b): v(t) =Asen (K"x(t)t)

    d) En su fase (figura 1.2c ), con lo que la variable que tenemos es: v(t) =Asen (wt + K'"x(t))

    (1.2)

    (1.3)

    ( 1.4)

    Cuando la seal v(t) es digital, se puede almacenar tambin informacin x(t) tanto digital como analgi-ca en los parmetros que determinan el aspecto de la seal:

    a) Informacin en el nivel, en cuyo caso, la informacin debe ser digital y la seal deber contener -al menos- tantos niveles como los que se quieran distinguir en la variable original. En la figura 1.2d se ha dibujado una seal binaria que, slo podr almacenar dos posibles estados de la variable.

    b) En su frecuencia (figura 1.2d) lo que constituye un caso particular del de una variable analgica pero en la que se ha sustituido la senoide por una onda cuadrada.

    c) En su fase (figura l.2e) tambin similar al caso anterior de seal analgica. d) En la duracin de los pulsos o en el ciclo de trabajo (duty cycle)2 de la seal (figura l .2f). Hay que tener en cuenta que una determinada seal puede contener ms de una variable de informacin,

    almacenada en sus diversos parmetros.

    Pero, desgraciadamente, tanto las variables como las seales no suelen ser tan simples como las indica-das en las figuras 1.1 y 1.2, sino que contienen factores que tienden a dificultar su lectura. En efecto, cual-quier seal o variable puede ser "contaminada" por otras variables no deseadas y de difcil control a lo que llamaremos, en general , "ruido". Aunque esto se tratar ms exhaustivamente en captulos posteriores, s que interesa clasificar las seales desde este punto de vista como:

    a) Seales deterministas en las que la seal slo contiene la informacin o informaciones que intere-san (figura 1.3a).

    b) Seales aleatorias o pseudoaleatorias en las que, sobre los niveles de la seal que interesa, apare-cen niveles de ruido (figura 1.3b) que modifican el valor de la seal. Estos niveles pueden afectar o no a la variable (informacin contenida).

    En general, todas las seales tienen un cierto componente de aleatoriedad lo que implica que todas son aleatorias y ninguna es estrictamente determinista; sin embargo, si los niveles del ruido son bajos en relacin con los de la seal o su infonnacin no se ve afectada por aquel, cabe considerar el caso como determinista y esto es lo que se hace en multitud de ocasiones.

    Cuando los niveles de ruido son elevados, la seal cae dentro del rea de las aleatorias y requerir un tra-tamiento estadstico especfico. A este respecto, cabe decir que el ruido que se aade en la seal puede tener dos orgenes distintos:

    a) Ruido que no contiene informacin alguna y que corresponde a la idea exacta de una seal aleatoria que se aade a la nuestra. Se trata de un ruido sin ningn tipo de estructura.

    b) Ruido que s contiene informacin y que tiene estructura definida, es decir, un patrn de compor-tamiento y que, por ello, no cabe calificarlo como aleatorio y se usar el trmino pseudoaleatorio

    2 El duty cyc/e o ciclo de trabajo se define para una seal binaria peridica como el cociente entre el tiempo en que la seal est en el nivel alto y su periodo.

    4 !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    (figura 1.3c). Este ruido puede contener infonnacin til que interese extraer o informacin no de-seada como en el caso de una interferencia de 50 Hz de red que "se cuela" en nuestro sistema: no es aleatorio ya que sigue el patrn de la red elctrica ( con una cierta aleatoriedad) pero no nos interesa para nada. En cualquier caso, dado lo dificil de predecirlo o controlarlo cabe calificarlo como ruido.

    V(t)

    (a)

    (b)

    Ruido \ Informacin

    /; (e)

    Ruido a 50 Hz

    Figura 1.3. (a) Seal determinista; (b) seal aleatoria que incluye informacin y ruido aleatorio; (c) seal pseudoaleatoria que incorpora la informacin y un ruido con estructura.

    1.1.2 LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA EN EL CONTROL DE PROCESOS La instrumentacin electrnica cobra su mximo protagonismo en el entorno industrial y adquiere una rele-vancia especial en lo que hace referencia al control de procesos. La realidad es que estas dos disciplinas, instrumentacin y control, estn fuertemente imbricadas hasta el punto de que comparten algunos criterios de diseo, afectando las decisiones de una directamente a la otra. Para conocer el mbito y la aplicacin de la instrumentacin electrnica en este contexto, realizaremos primero una breve introduccin que tiene por objetivo familiarizamos con los conceptos y la terminologa relacionada con los sistemas de control.

    El concepto de control es extraordinariamente amplio y abarca escenarios de complejidad muy diversa. En su concepcin ms simple, el control alude al gobierno de un sistema por otro sistema. La figura 1.4 muestra el diagrama de bloques de un sistema de control genrico.

    Operador

    SISTEMA DE

    CONTROL

    Entrada PLANTA o

    PROCESO

    Figura 1.4. Sistema de control genrico.

    Salida

    !TES-Paraninfo 5

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    El objetivo de un sistema de control es obtener una salida, es decir, una respuesta que coincida con la que pretende el operador pero sin que intervenga directamente sobre el sistema. Para ello, el operador se sirve de unas entradas, denominadas consignas o variables de control, que le permiten especificar la res-puesta deseada de la planta. A partir de estas seales, el sistema de control genera las denominadas seales de mando que son las que actan sobre la planta con objeto de modificar la salida del proceso. Generalmen-te, el sistema de control funciona con magnitudes de baja potencia, llamadas seales, y gobierna unos ac-cionamientos o actuadores. Esta idea se refleja en la figura 1.5 donde el conjunto formado por el sistema de control y los accionamientos ejecutan las rdenes dadas por el operador a travs de las entradas de consigna.

    Operador

    DISPOSITIVOS DE SEAL 1 1 1 1 Seales de 1

    Consigna , mando 1 'I

    Potencia

    DISPOSITIVOS DE POTENCIA

    j PLANTA Salida o

    :, PROCESO

    Figura 1.5. Sistema de control en lazo abierto.

    Este tipo de sistemas se denomina en "lazo abierto", debido a que el sistema de control no recibe nin-gn tipo de informacin del comportamiento de la planta, es decir, la salida del proceso no afecta a la accin de control.

    Seal de Cons igna ~,,,,-- error ~ Nodo

    suma -- --

    ' Operador +

    Variable regulada

    SISTEMA DE

    CONTROL

    Seales de mando

    Perturbaciones

    IF---\ PLANTA

    11.---~) PRO~ESO

    Lazo de realimentacin

    Figura 1 .6. Sistema de control realimentado o en lazo cerrado.

    Salida

    -,

    En un sistema de control en lazo abierto, a cada consigna le corresponde un modo de funcionamiento fi-jo. Este mtodo se utiliza cuando se conoce de antemano la relacin entre la entrada y la salida y no existen perturbaciones de ningn tipo. Una perturbacin es una seal que modifica negativamente la salida de un sistema. Si sobre un sistema se producen perturbaciones impredecibles, los sistemas de control en bucle abierto no pueden corregir la situacin ya que el sistema de control no recibe informacin sobre ese hecho. Resulta interesante la consideracin de "perturbacin impredecible" ya que si fuesen predecibles siempre se podran compensar dentro del sistema. Cuando se producen perturbaciones impredecibles y pretendemos que la planta se comporte de la forma deseada, es necesario informar al sistema de control sobre esta situacin. La figura 1.6 muestra el diagrama de bloques genrico de un sistema de control realimentado. Ahora, el operador fija las variables denominadas de consigna o de referencia, que establecen el comportamiento deseado, y el sistema de control genera las seales de mando adecuadas para conseguir que la salida del

    6 !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    proceso, variable regulada, se mantenga en el valor deseado a pesar de las perturbaciones exteriores. Regu-lar una variable significa mantener esa variable en un valor deseado frente a las influencias externas. Este tipo de sistemas se denominan "sistemas de control en lazo cerrado" o "realimentados". En esta configu-racin se alimenta al controlador con la denominada "seal de error" que es la diferencia entre la seal de referencia y la seal de realimentacin. La seal de realimentacin puede ser la propia seal de salida, varia-ble regulada, o una funcin de sta. Una ventaja de los sistemas de control realimentados es que desensibili-za el sistema frente a las perturbaciones exteriores e incluso frente a las variaciones internas de los parme-tros del sistema.

    1 EJEMPLO 1.1 1

    El siguiente ejemplo trata de ilustrar estos conceptos mediante un sistema de control en lazo cerrado basa-do en una piscina cuyo nivel de llenado se pretende controlar. El sistema consta de una vlvula para el llenado de la piscina, otra para el vaciado y un flotador para conocer el nivel actual del lquido. El contro-lador se encarga de mantener el nivel del lquido a un valor deseado, especificado en la entrada de consig-na de la figura l. 7a a pesar de las inclemencias meteorolgicas.

    Vlvula de llenado

    (Nivel deseado)

    Consigna

    (Nivel deseado) Consigna

    CONTROLADOR

    Cerebro

    CONTROLADOR

    Piscina

    vatvulaA

    ~----1 .. ACTUADOR

    VlvulaB

    FLOTADOR

    Captador

    Brazo

    ~---- ACTUADOR

    Brazo

    OJOS

    Captador

    Vlvula de vaciado

    (a)

    (b)

    (e)

    Figura 1. 7. Sistema de control en lazo cerrado. (a) Sistema de control del nivel de agua en un depsito; (b) diagrama de bloques del sistema de control con realimentacin automtica; (c) diagrama de bloques

    del sistema de control con realimentacin manual.

    !TES-Paraninfo 7

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    La comparacin entre el nivel real del depsito, variable regulada, y el nivel deseado, consigna, genera una seal de error. En el caso de que el nivel sea inferior al establecido, el sistema de control genera una seal de mando que acta sobre la electro-vlvula A (el actuador) permitiendo el llenado del tanque (la planta); si fuese superior, se actuara sobre la electro-vlvula B. En caso contrario, la vlvula se mantiene cerrada. Para conocer el estado de la planta, es decir, el nivel actual del lquido, se utiliza un flotador (el captador o sensor) que informa al sistema de control sobre la variable regulada.

    En la figura l. lb se representa el diagrama de bloques del sistema descrito, un sistema de control au-tomtico en bucle cerrado. En la figura J. le se representa el diagrama de bloques en el caso de control manual, lo que equivale a sustituir el bloque de control por un operador. En este caso, el cerebro del ope-rador acta como sistema de control, sus ojos, el sensor, permiten determinar el valor de la variable regu-lada, nivel del depsito, y sus brazos, los actuadores, abren o cierran las vlvulas de llenado y vaciado en el caso necesario.

    Cuando a una planta se le aplica un control automtico realimentado, como en el ejemplo descrito, se habla de control de procesos. En el contexto del control de procesos, el inters de la instrumentacin elec-trnica radica en las tcnicas y procedimientos que esta disciplina aporta para medir la variable de proceso e informar al sistema de control. No se puede controlar una variable de forma ms precisa a como la podemos medir, as que la medida es un elemento fundamental para el control. En definitiva, el conocimiento sobre el estado de un proceso se realiza empricamente a travs de la medida, y esta labor puede realizarse recurrien-do a procedimientos electrnicos de instrumentacin diseando un sistema de medida integrado en el ciclo de control. Cuando se habla de instrumentar cualquier sistema fisico se refiere a aadirle todos los sistemas de captacin que sean capaces de leer los parmetros fisicos que formen parte de l. La figura 1.8 representa los elementos esenciales de un sistema de medida en el contexto del control de procesos.

    Visualizador

    8888 Seal Seal

    elctrica tratada SENSOR ACONDICIONAMIENTO ----"'T""--

    SISTEMA DE CONTROL

    Medio de transmisin

    RECEPTOR

    Figura 1.8. Diagrama de bloques de un sistema de medida en el contexto del control de procesos.

    Los bloques bsicos que se reflejan en la figura, y que estudiaremos con ms detalle en la siguiente sec-cin, son:

    Sensor: su misin es capturar la variable de proceso, variable fisica, y conve1iirla en una seal elc-trica.

    8 !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRN ICA

    Acondicionamiento de seal: trata la seal elctrica para adaptarla al siguiente bloque de la cadena. El acondicionamiento puede incluir: - Amplificacin. - Filtrado. - Conversin de niveles. - Conversin de tensin a corriente, y viceversa. - Conversin de tensin a frecuencia, y viceversa. - Linealizacin, etc.

    Visualizacin: unidad que presenta la informacin al operador. Sistema de control: procesa los datos de acuerdo al algoritmo de control y genera la seal de mando.

    Los sistemas de control pueden ser: - Analgicos: emplean circuitos analgicos para el control. - Digitales: basados en procesadores digitales.

    Actuadores: conjunto de dispositivos que modifican la respuesta del sistema. Sistemas de transmisin remota: permite transmitir la informacin entre la planta y el sistema de

    control en el caso de que estn alejados uno del otro. La instrumentacin electrnica se ocupa fundamentalmente de los bloques relacionados con la captura

    de seales de proceso y el acondicionamiento de seal aunque su mbito de estudio tambin incluye los actuadores, el diseo de los sistemas reguladores y comparadores, el diseo de los sistemas de transmisin, la representacin o visualizacin de magnitudes, etc. En realidad, la frontera entre instrumentacin y control no siempre es evidente, aunque el mbito del control se delimita cuando los criterios de diseo quedan esta-blecidos por la teora de regulacin automtica. Algunos autores solventan el problema hablando de instru-mentacin electrnica de medida e instrumentacin electrnica de control, haciendo referencia, respectiva-mente, a la captacin (incluyendo los procesos de acondicionamiento) y al accionamiento (incluyendo los sistemas de toma de decisiones). En este texto se har referencia a la instrumentacin electrnica de medida a la que denominaremos sencillamente, instrumentacin electrnica.

    1.2 Sistemas de medida

    Un sistema de medida electrnico es aquel equipo cuya finalidad es obtener informacin acerca de un proce-o fsico y presentar dicha informacin en la forma adecuada a un observador o a otro sistema tcnico de

    control (figura 1.9). Existen multitud de magnitudes fsicas susceptibles de ser medidas, si bien cada una de ellas podra considerarse dentro de los tipos de variables que muestra la tabla 1.1.

    ENTRADAS

    SISTEMA DE MEDIDA

    Figura 1.9. Objeto de un sistema de medida.

    SALIDAS

    - Visualizacin

    -Almacenamiento

    - Transmisin

    !TES-Paraninfo 9

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Naturaleza de Tipo de variable la variable Mecnica- Desplazamiento, velocidad, aceleracin, fuerza, par, presin, masa, flujo,

    etc.

    Trmica Temperatura, calor, entropa, etc. Magntica Campo magntico, flujo, permeabilidad magntica, etc. Elctrica Carga, corriente, tensin, resistencia, conductancia, capacidad, permitivi-

    dad dielctrica, polarizacin, frecuencia, etc. ptica Rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, etc. Qumica Humedad, pH, concentracin inica, anlisis de gases, etc. Biolgica Protenas, hormonas, antgenos, etc.

    Tabla 1.1. Naturaleza y tipos de variables.

    1.2.1 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE MEDIDA Considerando el sistema de medida como una caja negra, la entrada sera el valor verdadero de la variable a medir y la salida, el valor medido. Slo en el caso ideal, la diferencia entre ambos valores ser nula por lo que siempre cometeremos un error de medida. Las causas de este error son de origen diverso: ruido del sistema de medida, interferencias exteriores, desviaciones en los parmetros de componentes, mala calibra-bracin, etc. En un sistema de medida podemos distinguir tres funciones principales: adquisicin de datos, procesamiento de datos y distribucin de los datos ( figura 1.1 O):

    Adquisicin de datos. La informacin de las variables a medir es adquirida y convertida en una seal elctrica. De esta etapa depender en gran medida las prestaciones del sistema de medida.

    Procesamiento de datos. Consiste en el procesamiento, seleccin y manipulacin de los datos con arreglo a los objetivos perseguidos. Esta funcin suele ser realizada por un procesador digital, tipo microcontrolador o procesador digital de seal (Digital Signa! Processor o DSP).

    Distribucin de datos . El valor medido se presenta a un observador (por ejemplo, mediante un dis-play), se almacena (por ejemplo, en disco o en un chip de memoria) o bien se transmite a otro sistema .

    ..----------------------~

    Entrada (Valor verdadero) 1

    ADQUISICIN DE DATOS

    PROCESAMIENTO DE DATOS

    DISTRIBUCIN DE DATOS

    1 1 SISTEMA DE MEDIDA ..... _____________________ ...

    Salida (Valor medido)

    Figura 1.10 . Funciones principales de un sistema de medida electrnico.

    A su vez, la funcin de adquisicin de datos puede ser dividida en unidades funcionales ms pequeas co-mo se muestra en la figura 1.11. En primer lugar, la variable del mundo fisico es convertida en una seal elc-trica mediante un dispositivo sensor a fin de poder ser procesada adecuadamente. Con frecuencia, la seal procedente del sensor tiene unas caractersticas que la hacen poco adecuada para ser procesada: seal de pe-queo nivel, espectro grande, falta de linealidad, etc. Se hace, pues, necesaria una etapa de acondicionamiento de la seal. Este acondicionamiento consiste en realizar alguna de las siguientes operaciones bsicas:

    Amplificacin: incrementar el nivel de potencia de la seal. Filtrado: eliminar las componentes de la seal no deseadas.

    1 O !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    Linealizacin: obtener una seal de salida que vare linealmente con la variable que se desea medir. Modulacin/Demodulacin: modificar la forma de la seal a fin de poder transmitirla a largas dis-

    tancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a interferencias durante el transporte.

    Entrada Acondicio namiento

    Conversin AD

    ADQUISICIN DE DA TOS

    Procesador 1 1 1 1

    PROCESAMIENTO 1 DE DATOS 1 1

    Conversin DA

    Acondicio namiento

    DISTRIBUCIN DE DATOS

    Figura 1.11. Elementos de un sistema de medida.

    Salida

    En un esfuerzo por simplificar el diseo, ahorrar espacio, eliminar fuentes de errores y reducir costes, los sensores suelen incluir circuitera de acondicionamiento, dando lugar a sensores integrados, que incluso proporcionan una salida digital. Despus del acondicionamiento, la seal es convertida del mundo analgico al dominio digital mediante un convertidor analgico-digital (ADC). La salida del ADC se procesa mediante un procesador digital de seales, que en muchas ocasiones puede integrar el ADC. Una vez procesada la seal puede ser necesario entregar la informacin en forma analgica, en cuyo caso es necesario proporcio-nar otra interfaz desde el dominio digital al mundo analgico mediante un convertidor digital-analgico (DAC). Finalmente, la seal del procesador se puede enviar a un observador para su visualizacin, almace-nada en memoria o enviar a otro equipo de medida o sistema de control.

    Procesar digitalmente una seal tiene sus ventajas, que, aunque las iremos descubriendo a lo largo del texto, conviene ya insinuar: flexibilidad de diseo ( en el sentido de poder variar por software la operacin), mayor precisin que con los circuitos analgicos, las seales se almacenan ms fcilmente en memoria, etc. Estas ventajas no implican que el procesado de seal digital sea siempre la solucin a todos problemas de procesamiento. As, seales de gran ancho de banda que puedan requerir un procesamiento en tiempo real precisan un procesado analgico.

    1.2.2 SISTEMAS DE MEDIDA MUL TICANAL El esquema de la figura 1.11 corresponde a un sistema de un solo canal de medida. En la mayora de las situaciones se hace necesario procesar ms de una variable de entrada. La figura 1.12 muestra una primera solucin, en la que un multiplexor analgico se encarga de llevar las seales acondicionadas de los sensores a un nico ADC.

    Entrada 1

    Entrada 2

    Entrada n

    Acondicionador 1

    Acondicionador 2

    Acondicionador

    "' xu w-_J Cl o..O - _, ,_ < _, z i<

    Procesador

    Figura 1.12. Sistema de medida multicanal con un solo ADC .

    Salida

    !TES-Paraninfo 11

  • INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    La estructura anterior no es adecuada cuando la aplicacin requiere una captura simultnea de las varia-bles (por ejemplo, la medida de un desfase entre dos seales). En este caso, se recurre a un sistema de medi-da con conversin en paralelo, como el mostrado en la figura 1.13, en el que cada canal de entrada dispone de un convertidor A/D independiente. Otro caso habitual es el de las tarjetas de adquisicin de datos, en las cuales suele aprovecharse el propio procesador del computador para las tareas de procesamiento.

    Entrada 1

    Entrada 2

    Entrada

    Acondicionador 1

    Acondicionador 2

    Acondicionador n

    p R o e E s A

    D o R

    ' ' ' '

    ' ' ' ' '

    ' ' ' '

    ' ' ' L. ______________ '-------------------~

    Salida

    Figura 1.13. Sistema de medida multicanal con un ADC por canal.

    EJEMPLO 1.2: Sistema de instrumentacin industrial

    La medida de la temperatura es, sin duda, una de las mediciones ms frecuentes y ms importantes que se suelen efectuar en los procesos industriales. La mayora de los sistemas jisicos, electrnicos, qumicos, mecnicos y biolgicos se ven afectados de una u otra forma por la temperatura. Algunos procesos trabajan bien slo dentro de un margen estrecho de temperatura; ciertas reacciones qumicas, procesos biolgicos e incluso los circuitos electrnicos se comportan mejor dentro de ciertos lmites de temperatura. Cuando estos procesos necesitan ser optimizados, se requiere la medida de la temperatura. Los sensores de temperatura son la entrada a estos sistemas de control.

    La figura siguiente muestra un sistema de medida de la temperatura de un horno industrial. Esta varia-ble ha de estar comprendida entre ciertos limites. La seal proporcionada por el sensor de temperatura es acondicionada en las proximidades del horno y enviada a un dispositivo de control que puede o no encon-trarse en el mismo lugar del horno. En este caso, la seal puede enviarse directamente (mediante bucle de

    Sensor de temperatura

    Horno industrial

    ~------o Acondicionador de seal de temperatura

    Resistencia calefactora

    transmisin

    Controlador de

    temperatura

    Aislamiento --..---

    Figura 1.14. Ejemplo de sistema de instrumentacin de aplicacin industrial.

    1 2 !TES-Paraninfo

  • INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

    corriente) o bien modulada. El controlador, en funcin del valor medido de la temperatura, dar las rde-nes oportunas al dispositivo de potencia para mantener la temperatura dentro de los lmites requeridos.

    EJEMPLO 1.3: Sistema de instrumentacin biomdica

    La instrumentacin biomdica se encarga de la medida de las seales procedentes de un ser vivo. Las sea-les a medir proceden de situaciones clnicas diferentes: diagnstico, terapia, ciruga, rehabilitacin, etc. Estas seales han de ser procesadas garantizando en todo momento la seguridad del paciente, de ah que muchas veces se recurra a mtodos de medida indirectos.

    La figura siguiente muestra un esquema bsico de un sistema para monitorizar la actividad elctrica del corazn (electrocardiograma-ECG). Para ello, se sitan una serie de electrodos en distintas partes del cuerpo obtenindose unas seales de amplitud y frecuencia caractersticas. Las seales obtenidas son am-plificadas mediante un amplificador de instrumentacin. Como ya se ha comentado, la seguridad del pa-ciente es vital en este tipo de aplicaciones, por ello se introduce un aislamiento elctrico entre el sistema de medida y el paciente. Dentro del acondicionado de la seal es necesario realizar un filtrado de la misma a fin de limitar el ancho de banda de las seales de inters al estrictamente necesario. Todos estos bloques sern estudiados a lo largo del libro, por lo que no cunda el pnico.

    NBADC Procesador

    Figura 1.15. Ejemplo de sistema de instrumentacin de aplicacin mdica.

    1.2.3 ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIN

    Actuadores e

    Indicadores

    En los procesos tecnolgicos son muchas las variables de las que hay que tener informacin oportuna para mantenerles en un punto de oper