Introd Sist de Medida

7/21/2019 Introd Sist de Medida

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FUNDAMENTOS Y CLASIFICACIN DELOS SENSORES

Introduccin a los sistemas de medida

Sistemas electrnicos de medida

Clasificacin de los sensores.

Sensores industriales

1


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Fundamentos y clasificacin de los sensores 2

Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

Ca!tulo "

Introduccin a los sistemas de medida


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Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

#eneralidades

El ser humano percibe informacin del mundo a travs de sus sentidos, perono todos percibimos de la misma manera.Dificultades para cuantificacinobjetiva.

Nuestrossentidos son incapaces de estimar ciertas variables fsicas.

Necesidad de instrumentos de medida ue suplan estas deficiencias.

Definicin deInstrumentacin! "ecnolo#a ue comprende las tcnicas,euipos $ metodolo#asrelacionadas con el dise%o, construccin $ aplicacinde dispositivos fsicos para mejorar, complementar $ aumentar la eficiencia delos mecanismos de percepcin del ser humano.

Instrumentacin electrnica! "cnica ue se ocupa de la medicin decualuier ma#nitud fsica, de su conversin a elctrica $ de su tratamientopara proporcionar la informacin adecuada a un sistema de control, operadorhumano o a ambos.


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Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

La instrumentacin electrnica en el control de rocesos $I%

Control&&obierno de un sistema por otro sistema

Conceptos $ terminolo#a relacionada con el control de procesos!

Consi'nas o (aria)les de control&'ermiten especificar al operador larespuesta deseada de la planta.

Se*ales de mando&Se%ales #eneradas por el sistema ue, en funcion delas consi#nas, actuan sobre la planta para modificar la salida del

proceso.

Accionamientos o actuadores&Elementos ue ejecutan las rdenes dadaspor el operador a travs de las entradas de consi#na.

+ertur)acin&Se%al ue modifica ne#ativamente la salida de un sistema. Re'ular una (aria)le! (antener la variable en el valor deseado frente a

las influencias e)ternas.

Se*al de error! Diferencia entre la se%al de referencia $ la se%al derealimentacin


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Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

La instrumentacin electrnica en el control de rocesos $II%

Tios de sistemas de control La,o a)ierto

La,o cerrado $Realimentado%


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Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

La instrumentacin electrnica en el control de rocesos $III%

Sistema de medida en el conte)to del control de procesos

PROCESO

SISTEMA DE CONTROL

Visualizador

SENSOR ACONDICIONAMIENTO

ACTUADOR

TRANSMISOR

RECEPTOR

Seal

elctricaVariable

!sicaSeal

"edida

Seal

"a#do

Medio de

tra#s"isi$#

SISTEMA DE MEDIDA


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Intr

ouduccina

lossistemas

demedida

Ca!tulo -

Sistemas electrnicos de medida


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Sist

emaselectrnicosdemedida

#eneralidades

Sistema& Conjunto de elementos en interaccin din*mica, or#ani+ados de acuerdo con una.inalidad/

os elementos de un sistema poseen propiedades cu$o valor es necesario conocer para observar suevolucin $-o ase#urar su correcto funcionamiento.

+roiedades medi)les& Cualuier propiedad de un objeto puede ser medible. Dentro de la industriapodemos destacar las si#uientes propiedades!

Elctricas

(a#nticas (ec*nicas "rmicas umicas /adiaciones

Sistema de medida& Sistema ue asi#na un n0mero 1 informacin2 a una propiedad de un objeto o

suceso con la finalidad de describirlo.3bjetivos de las medidas! (onitori+ar o controlar un proceso. 'roporcionar informacin para verificar el comportamiento de un sistema

Sistema electrnico de medida! Sistema de medida basado en circuitos ue est*n formados porcomponentes electrnicos 14asados en las propiedades elctricas de conductores $

semiconductores2.


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Sist

emaselectrnicosdemed

ida

Caracter!sticas de los sistemas electrnicos de medida

Debido a la estructura electrnica de la materia, cualuier variacin de un

par*metro no elctrico implica una variacin de un par*metro elctrico.

No es necesario absorber ener#a del medio cu$as variables se uiere medir

porue podemos amplificar la salida del sensor.

E)iste #ran variedad de circuitos inte#rados para acondicionar las se%ales#eneradas por el sensor. 5l#unos contienen sensor $ circuito acondicionador.

a transmisin de se%ales elctricas es mas versatil, aunue mas sensible a

interferencias ue las transmisiones mecanicas, hidraulicas o neumaticas.

Necesidad de convertir los valores de una propiedad a medir en valores de otra

diferente 1 a ma$ora de las propiedades a medir no son elctricas2


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Sist


ida

Ad0uisicin de datos&a informacin de las variables a medir es aduirida $ convertidaen una se%al elctrica.

+rocesamiento de datos&'rocesamiento, seleccin $ manipulacin de los datos por unprocesador di#ital 1 tipo microcontrolador2 para alcan+ar los objetivos perse#uidos.

Distri)ucin de datos&El valor medido se presenta al observador $ se almacena o setransmite a otro sistema.

Funciones de un sistema electrnico de medida

text

AD%UISICI&N

DE DATOS

PROCESAMIENTO

DE DATOS

DISTRI'UCI&N

DE DATOS

SISTEMA DE MEDIDA

E#trada

(Valor )erdadero*Salida

(Valor "edido*


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Sist


ida

Estructura de un sistema electrnico de medida

Procesador

AD%UISICI&N DE DATOS

PROCESA+

MIENTODE DATOS DISTRI'UCI&N DE DATOS

E#trada SalidaSe#sor

Aco#dicio+

#a"ie#to Aco#dicio+

#a"ie#to

Co#)ersi$#

AD

Co#)ersi$#DA

A",liicaci$#

-iltrado

Li#ealizaci$#

Modulaci$# .De"odulaci$#


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Sist


ida

Estructura de un sistema electrnico de medida

Conversin A/D


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Sist


ida

Sistemas de medida

SISTEMA DE

MEDIDA

+ Te",eratura

+ Presi$#

+ Velocidad

+ Luz

+ ,/

etc0

+ Visualizaci$#

+ Al"ace#a"ie#to

+ Tra#s"isi$#

ENTRADAS SALIDAS

ITES-Paraninfo 13


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Sist


ida

Sistemas de medida

Sensor

1

ADC Proce-

sador DAC

MULTIPLE1

OR

ANAL&2ICO

Ca#al 3

Salida

Acondicinador

1

Sensor

2Ca#al 3

Acondicinador

2

Sensor

nCa#al #

Acondicinador

n

ITES-Paraninfo 14


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Sist


ida

Sistemas de medida

Sensor

1

DAC

PROCES

ADOR

Ca#al 3

Salida

Acondicinador

1

Sensor

2Ca#al 3

Acondicinador

2

Sensor

nCa#al #

Acondicinador

n

ADC

3

ADC

4

ADC

#

ITES-Paraninfo 15


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Sistemaselectrnicosdemed

ida

Ejemplo de sistema de medida

Aco#dicio#ador

de seal de

te",eraturaMedio de

tra#s"isi$#

Se#sor de

te",eratura

/or#o

i#dustrial

Aisla"ie#to

Co#trolador

de

te",eratura

Tra#s"isor Rece,tor

Resiste#cia

caleactora

445 V

ITES-Paraninfo 16


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ida

Topologa de estrella

ITES-Paraninfo 17


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ida

Topologa de Buses

ITES-Paraninfo 18


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ida

ACONDICIONAIENTO DE !A SE"A!


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Sistemaselectr

nicosdemed

ida

Acondicionamiento de la se*al $I%

Aislamiento& 'roteccin del circuito de medida contra transitorios de alta tensin en las entradas.

'roteccin del sistema bajo comprobacin contra sobretensiones desde el sistema demedida.

Eliminar bucles de masa $ tensiones en modo com0n.

Filtro& Eliminar componentes de frecuencia no deseadas.

"ipo de filtro!

(edida de se%al de continua o baja frecuencia 67 8iltros 'aso 4ajo con frecuencias decorte entre 9 $ :;


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Sistemaselectr

nicosdemed

ida

Acondicionamiento $II%

Lineali,acin! Conse#uir una respuesta lineal del sensor respecto a lavariable medida.

E1citacin de sensores& Sensores pasivos! necesitan ser e)citados para obtener una se%al elctrica

proporcional a la variacin de la ma#nitud fsica.

'uede formar parte del circuito de acondicionamiento con fuentes de

corriente o de tensin de referencia.

Se#0n la topolo#a de e)citacin tenemos!

(edida a dos hilos.

(edida a tres hilos.

(edida a cuatro hilos.


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Clasi.icacin de los sensores


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Introuduccina

lossistemas

demedida

#eneralidades

Clasi.icacin de los sensores

Se'2n el rinciio .isico de .uncionamiento

Se'2n el tio de se*ales 0ue 'eneran

Se'2n la .orma constructi(a

Se'2n el camo de (alores 0ue miden

Se'2n el tio de (aria)le .!sica medida

Acti(os

+asi(os

Anal'icos

Di'itales

Temorales

De medida

Todo3 Nada $On3O..%

Discretos

Inte'rados

Inteli'entes


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el rinciio .!sico de .uncionamiento

Clasi.icacin delos sensoresse'2n el

rinciio .!sicode

.uncionamiento

Acti(os$#eneradores%

+asi(os$Moduladores%

Pie#oel$%tri%os

&otoel$%tri%os

&otoemisi'os

&oto'oltai%os

Termoel$%tri%os (Termopares)

agnetoel$%tri%os

Ele%trome%*ni%os

&oto'oltai%os

Otros

+esisti'os (+esisten%ia 'aria,le)Poten%iom$tri%os

Termorresisti'os

&otorresisti'os

Etensiom$tri%os

agnetorresisti'os

Ele%tro.umi%os

Capa%iti'os ( Capa%idad 'aria,le)

Indu%ti'os (Indu%tan%ia 'aria,le)

+elu%tan%ia 'aria,le

Permean%ia 'aria,le

Transformador 'aria,le

agnetoestri%ti'os

Semi%ondu%tores

Otros


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el tio de se*al el4ctrica 0ue 'eneran $I%

Clasi.icacinde lossensoresse'2n el tiode se*alel4ctrica 0ue'eneran

Anal'icos

Di'itales

Se'2n el tio de se*al

Se'2n la olaridad

Temorales

+eridicas

No eridicas

Se*ales(aria)les

Se*alescontinuas

Uniolares

5iolares

Se*ales senoidales

Se*ales cuadradas

Frecuencia

Fase

Frecuencia

Relacin alto6 )a7o

Duracin de unimulso

Numero total deimulsos


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el tio de se*al el4ctrica 0ue 'eneran $II%

Sensores Anal'icos Sensores ue #eneran se%ales elctricas denominadas anal#icas, ue

pueden tomar cualuier valor dentro de unos m*r#enes determinados $llevan la informacin en su amplitud.

Tios de se*ales anal'icas! 8aria)les! Euivalen a la suma de un conjunto de senoides de frecuencia

mnima ma$or ue cero.

Continuas&5uellas ue pueden descomponerse en una suma de senoidescu$a frecuencia mnima es cero. "ienen un cierto nivel fijo durante un tiempoindefinido, $ representan la informacin mediante su amplitud.

Consideraciones& El mundo fsico es en #eneral anal#ico > a ma$ora de sensores

proporciona este tipo de se%ales.

as se%ales tienen problemas de ruido, interferencias $ distorsin, por lo uees necesario un circuito de acondicionamiento


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el tio de se*al el4ctrica 0ue 'eneran $III%

Sensores Di'itales Sensores ue #eneran se%ales elctricas ue solo toman un numero finito de

niveles entre un m*)imo $ un mnimo.

Formato! Salida en 'aralelo

Salida en Serie

Se/al

Anal0gi%a E!EEN

TOSENSO+

CI+C1ITO DEACONDICIONAIENTO

CON2E+TIDO+ANA!O3ICO

DI3ITA!

2aria,lefsi%aamedir

n

Se/al

Anal0gi%a

E!EENTOSENSO+

CI+C1ITO DEACONDICIONAIENTO

CAD

2aria,lefsi%aamedir

P+OCESADO+

n Salida

serie

1


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el tio de se*al el4ctrica 0ue 'eneran $I8%

Sensores Temorales Sensores ue proporcionan a su salida se%ales elctricas en las ue la

informacin esta asociada al par*metro tiempo.

Consideraciones imortantes& 'ocos sensores dan a su salida informacin en dominio temporal.

a se%al anal#ica proporcionada por el sensor puede convertirse en una

se%al temporal ue lleva la informacin en la frecuencia mediante un

oscilador controlado por tensin.

2aria,lefsi%a amedir

E!EENTOSENSO+

OSCI!ADO+CONT+O!ADO PO+TENSION

Se/al

temporal

Se/al

anal0gi%a

SENSO+ TEPO+A!


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el tio de se*al el4ctrica 0ue 'eneran $8%

Tios de se*ales temorales!

Se*ales temorales senoidales! /eciben el nombre de se%ales moduladas

Se obtienen modificando un par*metro temporal de una se%al senoidal#enerada por un circuito oscilador mediante un circuito electrnicodenominado demodulador.

Se*ales temorales cuadradas& "ienen una amplitud fija $ un par*metrovariable ue puede ser!

8recuencia o periodo

/elacin entre la duracin del uno $ el cero 13n-3ff2!

'eriodo constante

Informacin contenida en la relacin entre el tiempo ue se est* en cadaestado 1 Ciclo de trabajo2

Suele decirse ue est* modulada en anchura de pulso. 1'@(2

Duracin de un impulso

N0mero total de impulsos ue aparecen a la salida a partir de un determinadoinstante.


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el ran'o de (alores de salida

Sensor de medida&'roporciona a la salida todos los valores posiblescorrespondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de undeterminado ran#o.

Sensor todo3nada&Detecta si la ma#nitud de entrada est* por encimao por debajo de un determinado valor. 'roporciona a la salida una

se%al elctrica ue solo puede tomar dos valores.

E!EENTOSENSO+

CI+C1ITO

E!ECT+4NICODETECTO+ DENI2E!


Se/al temporal

Se/al anal0gi%a

SENSO+ TODO-NADA


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n el ni(el de inte'racin de los sensores

Sensor discreto&Sensor en el ue el circuito de acondicionamiento sereali+a mediante componentes electronicos separados e

interconectados entre s.

Sensor inte'rado&Elemento sensor $ circuito acondicionador 1almenos este ultimo2 construidos en un unico circuito inte#rado,

monolitico o hibrido.

Sensor inteli'ente&/eali+a al menos una de las si#uientes funciones C*lculos numricos

Comunicacin en red 1 No una punto a punto2

5utocalibracion $ autodia#nostico

(ultiples medidas con identificacion del sensor


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Se'2n la (aria)le .isica medida

Clasi.icacin de los

sensores se'2n eltio de (aria)le.!sica medida

+resin Temeratura

9umedad

Fuer,a

Desla,amiento6 8elocidad6 Aceleracin de o)7etos

Caudal

+resencia :6o osicin de o)7etos

Ni(el de slidos o l!0uidos

;u!micos

Ma'nitudes el4ctricas

Ma'nitudes ticas

Otros

Com)inacin de los rinciios .!sicos de .uncionamiento : las


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Com)inacin de los rinciios .!sicos de .uncionamiento : las(aria)les .!sicas medidas or los sensores


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores Industriales/+ar


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Introuduccina

lossistemas

demedida

#eneralidades

Sensores adecuadamente construidos para tra)a7ar en las condiciones e1istentes

en un entorno industrial1 "emperatura elevada, presencia de polvo, humedadrelativa altaAetc2

'rincipalespar*metros caractersticos!

Caractersticas de entrada

Caractersticas elctricas

Caractersticas mec*nicas

Caractersticas defuncionamiento

Caractersticas ambientales

Caractersticas defiabilidad

De salida

De alimentacin

De aislamiento

Est


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas de entrada $I%

Camo de medida&Conjunto de valores de la ma#nitud a medir ue est*ncomprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de

medida del sensor. Se indica mediante la especificacin de los valores

e)tremos.

Bnidireccional 1 Ej.! ; a :; cm2

4idireccional

Despla+ado 1 Ej.! ?; a :;; #- cm2

So)rerran'o o so)recar'a!(*)imo valor de la ma#nitud a medir ue

puede aplicarse sin ocasionar un cambio en sus caractersticas ue rebaseuna tolerancia determinada.

Forma de (ariacin de la ma'nitud de entrada

Sim4trico $ E7/& = >? @ C %

Asim4trico $E7/& 3"? a ? @ C %

Datos est


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas de entrada $II%

+ONER FOTOS SEBALES ENTRADA


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas el4ctricas de salida

i#adas al tipo de formato empleado. "ienen una #ran importancia

pues de ellas depende la compatibilidad entre el sensor $ el sistemaacoplado a l.

Tios& Sensores desalida anal#ica

Sensores desalida di#ital

Sensores desalida todo6nada

Sensores desalida temporal

+or tensin

+or corriente


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores de salida anal'ica $I%

Sensores de salida or tensin&

a impedancia de salida del sensor debe ser mucho ma$orue la de la entradadel circuito al ue se conecta para ue sea despreciable la cada en los hilos decone)in.

5decuada para transmitir la informacin cuando la distancia entre el sensor $el euipo electrnico es reducida.

(*r#enes comunes de tensin! ; a :; , : a ? , 6? a ? , 6:; a F:; SENS

O+

2g

56

57 SISTEAE!ECT+ONICO


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores de salida anal'ica $II%

SENSO+

Ig 56 57

SISTEAE!ECT+ONICO

I+

E!EENTOSENSO+

CON2E+TIDO+

TENSI4N-

CO++IENTE

Salida por%orriente

Se/al

analogi%a

SENSO+ ANA!43ICO DE SA!IDA PO+ CO++IENTE



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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores de salida anal'ica $II%

Sensores de salida or corriente

Impedancia de salida del sensor elevada 1Del orden de decenas de


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores de salida di'ital


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Sensores de salida temoral


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Introuduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas el4ctricas dealimentacin

a ma$ora de los sensores son pasivos$ necesitan una fuente de

alimentacin. a tensin de alimentacin puede ser continua o alterna,aunue #eneralmente es continua.

+ar


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas el4ctricas deaislamiento

Cuando dos o m*s partes de un sensor est*n aisladas elctricamente

es importante conocer el #rado de aislamiento entre ellas.

+ar


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticasest


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas est


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas est


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas est


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas est


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Caracter!sticas est


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Int

rouduccina

lossistemas

demedida

Errores

e)actoEalormedidoEalor

e)actoEalor

e)actoEalormedidoEalor

ITES-Paraninfo 52

P i0 d


53/70

Fundamentos y clasificacin de los sensores 53Int

rouduccina

lossistemas

demedida

O,eraci$# Resultado Resultado corre6ido

Su"a

Diere#cia

Producto7

Cocie#te7

Propaga%i0n de errores

( ) ( )bCbaCaD:

+( ) ( )baba : ++ ( ) ( ) ( )D

D

D

: bCaCba ++

( ) ( )bCbaCaD:

( ) ( )bCaCba D: + ( ) ( ) ( )DDD: bCaCba +

( ) ( )bCbaCaD:

( )D: abab + D

D

D

: CCabab +

bbaa

:

( )

D: CC

b

a

b

a+ D

D

D

: CC

b

a

b

a+

ITES-Paraninfo 53


54/70


rouduccina

lossistemas

demedida

CA!IB+ACI4N


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rouduccina

lossistemas

demedida

Cali,ra%i0n

ITES-Paraninfo 55


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rouduccina

lossistemas

demedida

Cali,ra%i0n

ITES-Paraninfo 56


57/70


rouduccina

lossistemas

demedida

Cara%tersti%as din*mi%as


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Fundamentos y clasificacin de los sensores 58Introuduccina

lossistemas

demedida


ITES-Paraninfo 58


59/70


lossistemas

demedida


ITES-Paraninfo 59


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lossistemas

demedida


ITES-Paraninfo 60


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Fundamentos y clasificacin de los sensores 61Introuduccinalossistemas

demedida


ITES-Paraninfo 61

C i di * i


62/70


demedida


100V

...VVVTHD(%)

f

2

n

2

2

2

1 ++=

ITES-Paraninfo 62

C t ti di * i


63/70


demedida


ITES-Paraninfo 63

C t ti di * i


64/70


demedida


ITES-Paraninfo 64

Si t d i d


65/70

Fundamentos y clasificacin de los sensores 65Introuduccinalossistemasdemedida

Sistemas de primer orden

=

t

F e1X)t(x

ITES-Paraninfo 65

Si t d d d


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Sistemas de segundo orden

ITES-Paraninfo 66


67/70


Caracter!sticas mec


68/70


Caracter!sticas mec


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Caracteristicas am)ientales

Efectos trmicos

Efectos de la aceleracin $ las vibraciones

Efectos de la presin ambiental

Efectos de las perturbaciones elctricas

=umedad, corrosin, atmsfera salina

Efectos del montaje


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ouduccinalossistemasdemedida

Caracter!sticas de .ia)ilidad

=acen referencia a la vida 0til del sensor $ a los errores ue puedenaparecer con el transcurso del tiempo como consecuencia de su

envejecimiento.

'ar*metros ue la definen!

8ida 2til $Li.etime% 8ida de almacenamiento $Stora'e li.e% Esta)ilidad temoral de la salida Deri(a de cero $ero Dri.t% Deri(a de la sensi)ilidad $Sensi)ilit: dri.t%

Introd Sist de Medida

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