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Medición y Adquisición de Datos
JULIO 2004
Instrumentación Electrónica Avanzada
Prof. José Andrickson Mora
Medición y Adquisición de Datos
Medición con Sensores Resistivos
JUNIO 2004
Instrumentación Electrónica Avanzada
Prof. José Andrickson Mora
Los puentes de Whwatstone, son circuitos
muy utilizados para la medición de cambios
de resistencias en un dispositivo, donde se
necesite de equilibrio mas amplificación de
la señal.
Sin embargo si analizamos el caso de un
circuito que se calibra en laboratorio con el
sensor y luego se instala en campo con la
conexión de cables de extensión. La salida
se ve afectada por la inclusión de un valor
resistivo adicional
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Medición con Sensores Resistivos
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Para solucionar estos problemas ocasionados por la adición de la
resistencias de los cables, se utilizan conexiones de tres o cuatro hilos
en los sistemas de medición a distancia y de esta manera compensar al
desequilibrio del puente por variación de resistencia.
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Medición con Sistemas de Adquisición de Datos
Al medir una señal analógica con un sistema de adquisición de datos
existen tres formas o categorías de llevarla a cabo. Ellas son:
 Diferencial
 Referencia única
 No referencia única
Las formas se dan en función a como vayan a ser tratadas las señales
por el sistema de adquisición de datos, además de las características de
aislamiento, niveles de tensión y protecciones de los circuitos de
entrada y salida del sistema de medición .
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Medición con Sistemas de Adquisición de Datos
Medición de modo Diferencial:
En un sistema de medición diferencial ninguna entrada es
conectada a una referencia fija, tal como tierra. La Figura muestra
este sistema de medición para un sistema de adquisición de datos con
ocho canales analógicos de entrada, como se puede observar cuando se
usa este sistema el número de canales de entrada se reduce a la
mitad, ya que se requieren dos canales para conformar un canal en
modo diferencial. En esta tarjeta el terminal etiquetado AIGND es la
tierra del sistema eléctrico.
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Medición de modo referencial:
En un sistema de medición con referencia única, los canales
analógicos de entrada están referenciados a la tierra del sistema
eléctrico. En la figura se muestra al sistema de adquisición de datos de
8 canales conectada para realizar medición con referencia única, como
se puede observar todos los canales analógicos de entrada se
encuentran referenciados a la tierra del sistema eléctrico.
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Medición con Sistemas de Adquisición de Datos
Medición de modo referencial diferentes:
En este sistema todas las mediciones son hechas con respecto a una
referencia común, pero el voltaje de esta referencia puede variar con
respecto a la tierra del sistema eléctrico. En la Figura se muestra este
sistema de medición. En ella la línea AISENSE es la referencia común
para tomar las mediciones y AIGND es la tierra del sistema eléctrico.
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Las computadoras es parte esencial en muchos sistemas de
instrumentación, ya que agilizan la recolección y tratamiento de datos
en el proceso, almacenan y muestran información. Muchos
instrumentos modernos son capaces de proveer un uso remoto, con
acceso a la medición vía redes de computadoras.
Por otra parte, debemos tomar el cuanta que la mayoría de los procesos
se desarrollan en el mundo analógico y las computadoras modernas
trabajan en el mundo digital, por lo que se necesita de un sistemas de
conversión entre los dos mundos, en nuestros estudios estos
convertidores son los convertidores Analógicos a digital (ADC) y los
convertidores digitales a analógicos (DAC).
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Definamos algunos conceptos:
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Transductor: es un dispositivo que convierte una variable física
medida en una eléctrica.
Convertidor analógico-digital (ADC). Se encuentra a la salida del
transductor y se encarga de convertir la señal analógica de entrada en
una salida digital (de un valor continuo a un valor discreto).
Computadora. Es el encargado de almacenar y procesar la señal de
salida del ADC de acuerdo con las instrucciones del programa en
ejecución.
Convertidor digital-analógico (DAC). Convierte una señal digital
(discreta) a un voltaje o corriente proporcional.
Actuador. Circuito o dispositivo que sirve para el control de la variable
física.
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Convertidor Digital a Analógico:
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La conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en
código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje
o corriente que sea proporcional al valor digital.
Desde un punto de vista técnico, la salida de un DAC no es una
cantidad analógica ya que solo puede tomar valores específicos, como
los 16 posibles niveles de voltaje para Vsal en un convertidor de 4
dígitos .
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Resolución: la menor variación que puede ocurrir en la salida
analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.
Re solucion Porcentual 
tamaño de paso
x100%
escalacompleta
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Aplicación de un DAC.
La velocidad del motor el controlada por el nivel digital que sale de la
computadora y a la vez es convertido por el convertidor digital a
analógico.
El código BCD permite
generar una secuencia
de conteo para ser
convertida a un valor
analógico por DAC.
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Circuito de un DAC.
Este circuito es la forma mas elemental de un convertidos digital a
analógico, ya que activa un nivel de salida en función de la sumas de
los bits (A,B,C y D) activos. El nivel de cada bit es igual, pero por la
relación de resistencias, se le asigna un peso de salida a cada uno de
ellos.
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Convertidor Análogo a Digital (ADC).
Este tipo de convertidores genera una salida digital en función al nivel
de voltaje a la entrada. Varios tipos importantes de ADC utilizan un
convertidor D/A como parte de sus circuitos, mas un circuito de control
que le permite detectar el nivel en que se encuentra.
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Instrumentos Programables y su Interconexión.
Hasta ahora hemos tratado diversos instrumentos de medición y
algunos generadores, que son diferenciados por las señales que miden
o generan. Si observamos detenidamente, podemos notar que todos
ellos responden a una misma estructura como puede observarse en la
Figura.
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Instrumentos Programables y su Interconexión.
Las señales de control de ambos instrumentos pueden ser generadas por
varios elementos, entre los que podemos nombrar:
• Interruptores, en estados abierto o cerrado.
• Conmutadores, que seleccionan algunas de las señales a su
entrada
• Potenciómetro, que permiten variar entre dos límites una señal
analógica.
• Amplificadores, que generan una salida en función a su entrada y
la ganancia.
Sin embargo, la utilización de este tipo de elementos en el control,
manipulado por un operador, va en detrimento del proceso, ya que
influyen directamente en la precisión de la medida, limita la exactitud,
no permiten el almacenamiento continuo de datos, entre otros factores.
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Instrumentos Programables y su Interconexión.
Por lo expuesto anteriormente es necesario generar las señales de
control mediante un procesador digital programable, que posea
memoria y capacidad de almacenamiento, esquemáticamente, se
pueden ver los dispositivos en la Figura.
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Instrumentos Programables y su Interconexión.
Actualmente, los sistemas de mediciones se basan en arquitectura
abiertas que abarcan desde dispositivos con microcontroladores,
periféricos y memorias, hasta los computadores personales (PC). A
estos instrumentos se les llama instrumentos virtuales y pueden ser
reconfigurados en el momento que el operador los desee. En la Figura
puede observarse el diagrama de bloque de un instrumento virtual
basado en arquitectura abierta.
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Características de un sistema de instrumentos programables
interconectados .
Cuando se desea un sistema de medición con varios instrumentos, es
necesario una arquitectura de interconexión entre dispositivos. Dentro
de las características que debe poseer están:
•Construcción del bus de conexión entre los instrumentos, que permita
desarrollar un sistema de medición modular.
•Desarrollar una interfaz de los dispositivos con un PC o sistema de
control.
•Que los dispositivos conectados entre ellos puedan intercambiar datos.
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Características de un sistema de instrumentos programables
interconectados .
Para conectar varios instrumentos entre ellos a través de un bus de
datos y control, el dispositivo debe tener un interface de comunicación
que cumpla con las siguientes funciones como mínimo.
•Adaptador de eléctrico para la comunicación en el bus.
•Control de transferencia de información
•Gestión del flujo de información en el bus.
Por otra parte, el procesador digital situado en el instrumento debe
poseer recursos físicos (hardware) y lógicos (software) adecuados para
llevar a cabo, las siguientes tareas:
•Ejecución de instrucciones de operación enviada por otro instrumento.
•Generar órdenes de operación para otros instrumentos.
•Secuenciar operaciones de otros instrumentos.
•Dialogar con el operador del sistema de medida automatizado,
formado por los instrumentos interconectados.
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Características de un sistema de instrumentos programables
interconectados .
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Sistema de Instrumentación Basados en Computadoras
Muchos procesos instrumentales como los espectrofotómetros u
osciloscopios digitales están integrados a un sistema de medición
basado en computadoras. Estos instrumentos pueden estar conectados
con interfaces IEEE- 488 o RS-232 para ayudar al control del equipo
con computadores personales, además, soportan la transferencia de
datos para el procesamiento y muestra de datos.
Los sistemas de instrumentación pueden basarse en estaciones de
computadoras personales o en sistemas industriales. También pueden
utilizarse computadores portátiles acondicionados con tarjetas
PCMCIA, de capacidad de entrada salida; dando la oportunidad al
desarrollo de sistemas de instrumentación portátiles.
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Sistema de Instrumentación Basados en Computadoras
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Computadoras de Tarjetas Simples
La forma may simple de una computadora esta basada en las
computadoras de tarjetas simples (SBC), la cual contiene un
microprocesador, memoria e interfaces de comunicación con otros
sistemas electrónicos.
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Bus de una Computadora
La actual estructura de la arquitectura de un bus es muy variable, pero
una forma simple puede mostrarse en la figura, donde se presenta una
descripción esencial. Un grupo de pistas pueden trasladar los datos y la
información de dirección con un segundo grupo de pistas utilizadas
para controlar el flujo de datos y asegurarse su correcta transferencia.
Otras pistas son reservadas para las señales que proveen un control de
direccionamiento (permisivo) entre las tarjetas y asegurando que solo
controle los buses una tarjeta a la vez. También puede haber pistas que
provean señales de sincronización como reloj y la transmisión de
señales de interrupciones.
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Interferencia Electromagnética (EMI)
Un problema de interferencias consta siempre de tres partes: la fuente,
el receptor y el procedimiento de acoplamiento entre ambos
Fuente
Camino
Receptor
Las interferencias provocan anomalías en el funcionamiento de los
sistemas de control, entre ellas la generación de falsas alarmas o mala
indicación de posición de diversos dispositivos de instrumentación.
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Interferencia Electromagnética
Los Casos de interferencia electromagnéticas son muy cotidianos en
nuestra vida, muestra de ello son la mala recepción de TV, Radio, etc.
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Acoplamiento Capacitivo de EMI
Se produce a causa de la capacitancia que existe entre los conductores
de un sistema
L1
V1
V2
Cp
R1
L2
R2
12.1
C
2* D
log(
)
d
Formula que describe el
Acople entre dos líneas
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Acoplamiento Capacitivo de EMI (Ejemplo)
Dos circuitos de diferentes manejos de potencia trabajando muy
cercano. VAB=110 V, VCD=5 V. Longitud 15 m ¿Calculemos el grado
de incidencia?
Conmutador
3 Cm
6 Cm
1 Cm
Señal
Amplificada de
Termopar
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Acoplamiento Capacitivo de EMI (Ejemplo)
Conmutador
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C AC 
12.1*15
 80.48 pF
 2 * 0.09 
log 

 0.001 
C AD 
12.1 *15
 78.87 pF
 2 * 0.1 
log 

 0.001 
C BD 
12.1 *15
 84.57 pF
 2 * 0.07 
log 

 0.001 
C BC 
12.1 *15
 87.29 pF
 2 * 0.06 
log 

 0.001 
3 Cm
6 Cm
1 Cm
Para el calculo del voltaje
VBC 
V AB C AC * C BC
*
C BC C AC  C BC
De los Resultados anteriores: 8
VCD=VBD-VBC=53.08 – 52.77 = 311 m
Señal
Amplificada de
Termopar
Si el circuito C-D maneja señales
digitales de (0-5)V se obtendrá una
sobre tensión de : 6.237 %. Lo cual
puede generar acciones prematuras en la
activación de señales
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Acoplamiento Magnético de EMI
Se produce debido a las inductancias que existen entre un circuito y la
fuente de interferencia
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Acoplamiento Magnético de EMI (Ejemplo)
El caso de un conductor estático a través del cual se mueve un campo
magnético a razón de 0.5 m/s de izquierda a derecha. La densidad del
flujo máximo es de 0.5 T en sentido perpendicular y entrando desde
nuestro punto de vista. El conductor tiene 1 m de longitud.
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Acoplamiento Magnético de EMI (Ejemplo)
La magnitud del voltaje inducido sobre este conductor se calcula de la
siguiente manera:
=(v*B*sen(90º))*l*cos(0º)
=(0.5 m/s)*(0.5 T)*(1 m)=0.25 V
Asumiéndose que este conductor transporta una señal
digital de (0-5)V se obtendrá un error de 5% sobre la señal
de datos, lo cual podría ser una señal persistente y la cual
provoque una propagación del error, provocando una
perturbación sobre el sistema de control.
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•Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega.
Barcelona, España. 1993. Pág. 732
•John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA
Bibliografía
•Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación
Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas
Venezuela. 1995. Pag. 285.
•Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial
Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480.
•Ronald Tocci. “Sistemas Digitales”. 5ª Edición. Prentice Hall. Naucalpan de
Juarez. México. 1993. Pág. 823