Adrián: La instrumentación está basada en circuitos electrónicos, deberíamos dar un repaso a estos circuitos para comprender su funcionamiento y poder realizar alguna modificación o adaptación si fuese necesario.
Tamara: Estoy de acuerdo, no vendrá mal repasar estos circuitos.
Formando parte de los transductores se encuentran, generalmente, los elementos acondicionadores de señal. Los circuitos acondicionadores se encargan de dar forma a la señal proveniente del propio sensor, para que sea una señal adecuada para su posterior manipulación por los sistemas de control o supervisión.
Estos circuitos se encargan de:
- Realizar las conversiones adecuadas:
Intensidad/tensión (I/V).
Tensión/Intensidad (V/I).
Resistencia/Tensión (R/V).
Capacidad/Tensión (C/V).
Autoinductancia/Tensión (L/V).
Frecuencia/Tensión (F/V), etc
- Amplificar
- Sumar, restar
- Linealizar
- Filtrar
A continuación se describen los acondicionadores más usuales.
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1.- Circuitos básicos
Caso práctico
Adrián: ¿Podemos construir algún circuito sencillo para generar una tensión en función de la temperatura, a través de un termopar o una Pt100?
Tamara: "Claro que se puede, a partir de fuentes de tensión, resistencias y operacionales, se pueden conseguir, pero para ello se necesitan unos conocimientos de los diferentes tipos de circuitos y esquemas.
Se describen a continuación circuitos acondicionadores con resistencias (circuitos pasivos).
La propia ley de Ohm permite realizar las conversiones más sencillas. Establece la proporcionalidad entre tensión aplicada a una resistencia y la intensidad que circula por ella (V=R·I ).
Con una resistencia se puede acondicionar una etapa cuya salida sea tensión a otra etapa cuya entrada sea intensidad (V/I). Basta con realizar un pequeño cálculo de la ley de Ohm teniendo en cuenta que la resistencia total será la suma de la resistencia R a colocar y la resistencia interna de la etapa cuya entrada es intensidad.
Así mismo se puede acondicionar una etapa cuya salida sea intensidad a otra etapa cuya entrada sea tensión (I/V). De nuevo con la ley de Ohm se puede establecer la resistencia R a colocar.
Realizar un circuito para convertir una tensión variable de 0 a 10V en una intensidad de 0 a 20mA.
Ejercicio Resuelto
Realizar un circuito que convierta una corriente de 0 a 20mA en 0 a 5V. Probar que con 10mA se obtengan 2,5V.
1.1.- Divisor de tensión
Son circuitos muy utilizados en los acondicionadores. Cuando se tienen varias resistencias en serie a las que se les aplica una tensión determinada, la tensión en cada resistencia es proporcional al valor de su resistencia.
Si tenemos un sensor que nos da una tensión de 0 a 10V y queremos obtener una tensión de 0 a 5V, colocaremos dos resistencias iguales en serie, de valor elevado, para que no interfiera en el circuito al que vaya conectado.
Si se quiere obtener una tensión variable entre 0 y 10V a partir de 10V, se puede colocar un potenciómetro, de forma que la intensidad que circule sea igual al valor de la tensión entre el valor nominal del potenciómetro y la tensión será ajustable según la resistencia que se tome con el mando.
Para saber más
En el siguiente vídeo se puede ver cómo funciona el potenciómetro como divisor de de tensión:
Ejercicio Resuelto
Se dispone de una fuente de alimentación de 24V en un autómata y se desea obtener una tensión regulable entre 0 y 10V a través de un potenciómetro. Para no dañar el potenciómetro, deberá circular una corriente máxima de 1 mA.
Se pide diseñar el circuito.
1.2.- Puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone se utiliza en instrumentación para obtener un valor de tensión en función del valor de una magnitud física, a partir de un sensor resistivo. El sensor puede ser un termistor, una termorresistencia o una galga extensiométrica.
El puente se dice que está en equilibrio cuando el se cumple: R1*R4=R3*R2. en este caso el voltímetro marcará cero voltios.
Resistencia que varía con su deformación. Sirve para medir fuerzas.
Ejercicio Resuelto
Se tiene un sensor resistivo, del tipo Pt100, que aumenta su valor con el valor de la temperatura y se quiere colocar en un puente de Wheatstoe, de forma que el votímetro aumente con la temperatura. ¿Dónde ha de colocarse para que sto suceda?.
2.- Circuitos con amplificadores operacionales (A.O.)
Caso práctico
Tamara: En instrumentación se utilizan mucho los amplificadores operacionales, para adecuar las características de salida de los sensores. Deberemos conocer sus características y circuitos más usuales para poder realizar algún montaje en caso necesario.
Adrian: Si, ya había oido hablar de estos circuitos integrados, deberemos darles un repaso
Los amplificadores operacionales son unos circuitos electrónicos muy utilizados en todos los sectores industriales. Con ellos se realizan operaciones matemáticas y por eso se han utilizado desde hace tiempo. Hay muchos tipos de A.O. utilizados en diversas aplicaciones y por eso se diseñan para distintas frecuencias, distintas ganancias, de potencia o no, con varias opciones de alimentación, de temperatura, etc.
Por eso, vamos a estudiar solamente las características del A.O. ideal. Los circuitos reales serán como los circuitos diseñados con A.O. ideales, con ligeras modificaciones.
A la hora de deducir las ecuaciones de las diferentes configuraciones, conviene hacerlo planteando intensidades en cada rama y una vez planteadas, deducir la relación de tensiones a través de la relación de las intensidades en cada nudo. En el siguiente vídeo se puede ver este proceso.
2.1.- Amplificador inversor
Este circuito amplifica (con factor reductor o amplificador) la tensión de entrada y la invierte (la multiplica por -1). Se utiliza cuando queremos manipular una tensión débil (salida de termopar, por ejemplo) o reducir una señal.
En los circuitos, un operacional se representa normalmente con tres terminales de conexión, pero hay que tener en cuenta que en la realidad, en un circuito integrado, hay 8 terminales, de los que se deben conectar al menos 5: Las dos entradas, la salida y las dos alimentaciones.
Un amplificador operacional tiene un límite de amplificación. Nunca podrá dar más tensión que la tensión de alimentación. en sus entradas.
Ejercicio Resuelto
Diseña circuito que convierta los 20 mV de un sensor en 2V.
2.2.- Amplificador no inversor
Con esta configuración se amplifica la tensión de entrada, pero sin invertir la señal.
Si se quiere amplificar por 4 el valor de una tensión, qué relación ha de haber entre R2 y R1?.
2.3.- Seguidor de tensión
Es un caso especial del circuito anterior donde R2=0 y R1=infinito. Se utiliza para separar circuitos, para que lo que ocurra a un lado del circuito (entrada) no afecte al otro lado (salida).
Ejemplo: Se tiene un divisor de tensión para obtener 6V a partir de 12V en el circuito a. Si se conecta cualquier resistencia a los 6 voltios iniciales, cambia el circuito y la tensión inicial, según el circuito b. Para conectar cualquier resistencia sin que cambien las características del circuito inicial, se coloca un A.O. como seguidor de tensión. Esto se comprueba en el circuito c.
Circuito que suma tensiones eléctricas y las multiplica por un factor negativo. Se utiliza para la compensación de la temperatura en los termopares y en circuitos donde se requieran realizar medias (por ejemplo, determinar el peso de un silo con varias células de carga.).
¿Cómo harías para sumar dos tensiones pequeñas, por ejemplo 0,2 y 0.3V y conseguir una salida positiva y multiplicada por 5?.
2.5.- Amplificador restador
Realiza la diferencia de dos señales y las multiplica por un factor negativo. Se utiliza en circuitos de compensación de termopares, en medidas del puente de Wheatstone y en general donde se utilice la diferencia de dos señales.
Aquí tienes un vídeo que muestra la utilidad del amplificador restador. Los vídeos de Aurelio Cárdenas son muy buenos. Tiene varios relativos a los operacionales.
Este circuito convierte la intensidad entrante en una tensión. Es el típico conversor I/V cuando no se puede aplicar una resistencia directamente, porque su carga afectaría a la intensidad que queremos convertir. Se caracteriza por presentar una resistencia nula al paso de I (cortocircuito virtual del operacional).
Existen muchas maneras de realizar este tipo de conversión. Se aplican cuando no se puede colocar directamente una resistencia. Un circuito V/I es el siguiente donde se aprecia que la intensidad I es independiente de la carga.
Se desea convertir la señal de intensidad de un sensor, que da de 4 a 20mA, en una señal en tensión de 0 a 10V. Para ello se utilizará un conversor intensidad a tensión y un sumador inversor.
2.7.- Comparador sin realimentación
Cuando no existe realimentación, el operacional trabaja como comparador. En este circuito las intensidades de entrada al operacional siguen siendo nulas pero ya no tienen que ser iguales V+ y V-. Este circuito se utiliza en los relés de máximo o mínimo que se utilizan para detectar umbrales de las variables (presión máxima o mínima, temperatura máxima o mínima, etc.).
Se observa que la salida Vs sólo admite dos valores posibles: +Vcc y –Vcc. La posibilidad de que las entradas V1 y V2 sean iguales nunca se va a dar, ya que una será ligeramente superior o inferior a la otra. En el supuesto de que sean exactamente iguales, el propio desequilibrio del operacional va a suponer que la salida Vs se decante por uno de los dos valores (+Vcc o –Vcc).
Hay A.O. diseñados específicamente para trabajar como comparadores. En estos circuitos se busca que la respuesta sea lo más rápida posible.
Ejercicio Resuelto
Se desea realizar un termostato con un amplificador operacional como comparador, utilizando una tensión de 12 voltios y resistencias, además de una termoresistencia Pt1000. El circuito debe hacer funcionar un piloto si se sobrepasan los 25ºC.
3.- Sistemas de numeración
Caso práctico
Adrián: Los controladores llevan un microprocesador. Los microprocesadores trabajan con electrónica digital. ¿En qué se basa la electrónica digital?. ¿Qué tipo de datos necesita un controlador?.
Tamara: La electrónica digital se basa en el sistema binario. Tenemos que repasar los sistemas de numeración y los tipos de datos que utilizan los microprocesadores.
Sistema Decimal
Todos los sistemas de números tienen las mismas características: dígitos, base, potencia. El sistema decimal, que es de utilización común en la vida diaria, tiene las características siguientes:
Diez dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Base 10
Potencias 1, 10, 100, 1000, ...
Un número responde a una ecuación general: N= An.bn + An-1.bn-1 + …. A1.b1 + A0.b0
Donde N es el número, An, An-1 …son los dígitos y b la base. Por ejemplo el número 148,32 se expresa así:
En el sistema binario los unos y los ceros se ordenan en columnas. Cada columna tiene un peso. La primera columna tiene un peso binario de 20. Esto equivale al decimal 1. A éste se le denomina bit menos significativo. El peso binario se dobla en cada columna sucesiva. La siguiente columna, por ejemplo, tiene un peso de 21, que equivale al decimal 2. El valor decimal se dobla en cada columna sucesiva. El número más a la izquierda se denomina bit más significativo. En el ejemplo, el bit más significativo tiene un peso binario de 27. Es equivalente al decimal 128.
Sistema Hexadecimal
El hexadecimal es otro sistema usado por los microprocesadores. El sistema hexadecimal tiene las características siguientes:
16 dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
Base 16
Potencias de base 16 (1, 16, 256, 4096 ...)
Se utilizan los diez dígitos del sistema decimal para los primeros diez dígitos del sistema hexadecimal. Se usan las primeras seis letras del alfabeto para los seis dígitos restantes.
A = 10 D = 13
B = 11 E = 14
C = 12 F = 15
Para convertir un número decimal a un número hexadecimal el número decimal se dividirá por base 16.
Ejemplo: Convertir el número 186910 a hexadecimal.
En el sistema hexadecimal, cada dígito tiene asociado un peso equivalente a una potencia de 16, entonces se multiplica el valor decimal del dígito correspondiente por el respectivo peso y se realiza la suma de los productos.
La conversión de hexadecimal a binario se facilita porque cada dígito hexadecimal se convierte directamente en 4 dígitos binarios equivalentes.
Ejemplo: Convertir el número 1F0C16 a binario.
1F0C16 = 1 1111 0000 11002
Conversión de Binario a Hexadecimal
El método consiste en conformar grupos de 4 bits hacia la izquierda y hacia la derecha del punto que indica las fracciones, hasta cubrir la totalidad del número binario. Enseguida se convierte cada grupo de número binario de 4 bits a su equivalente hexadecimal.
Ejemplo: Convertir el número 100 1110 1010 a hexadecimal.
Las calculadoras de mano científicas, tienen posibilidad de trabajar con estos sistemas de numeración. También la calculadora de Windows, en modo progamador, permite estos sistemas y es útil para convertir números.
3.1.- Tipos de datos binarios
Cuando se trabaja con información binara, los datos se almacenan en los siguientes formatos:
1 BIT:Es la mínima parte de información existente. Es una cifra binaria (puede ser 1 ó 0). Rango decimal = de 0 a 1.
1 NIBBLE = 4 BITS:Rango decimal = de 0 a 15.
1 BYTE = 8 BITS:Es la base estándar para la representación de datos. Puede ser representado con 2 dígitos hexadecimales. Ej: FF.Rango decimal = de 0 a 255.
1 WORD = 2 BYTES = 16 BITS:Puede ser representado con 4 dígitos hexadecimales. Rango decimal = de 0 a 65.535.
1 DWORD = 2 WORDS = 4 BYTES = 32 BITS:Es una palabra doble (DOUBLE-WORD). Puede ser representado por 8 dígitos hexadecimales. Rango decimal = de 0 a 4.294.967.295.
1 KILOBYTE = 1.024 BYTES :Aunque su nombre despiste, el kb. es un conjunto de 1.024 y no de 1.000 bytes.
1 MEGABYTE = 1.024 KILOBYTES
Debes conocer
Utilizando la calculadora de Windows, con la opción "ver" en modo "programador", se pueden realizar conversiones numéricas en los diferentes sistemas de numeración y en los diferentes formatos numéricos, tanto para números positivos como negativos.
Adrián: Si un controlador trabaja con electrónica digital, ¿Cómo puede trabajar un autómata con una señal que procede de un acondicionador?.
Tamara: La señal de un acondicionador es una señal en tensión o intensidad. Es un valor analógico, para que pueda ser entendido este valor por un microprocesador, es necesario hacer una conversión de valor analógico a valor digital.
Son los circuitos más importante en los sistemas de adquisición, aunque últimamente suelen ser “transparentes” en el sentido de que están en todos los sistemas de adquisición pero nos despreocupamos totalmente de su funcionamiento y diseño. En definitiva, se comportan como cajas negras que realizan su función con unas determinadas características.
El convertidor analógico/digital (A/D) es un circuito que recibe en su entrada una variable analógica y proporciona en su salida una combinación digital en un determinado código binario cuyo equivalente decimal es proporcional al valor de dicha variable o tensión de entrada.
Las características más importantes de los A/D son:
Resolución: es el mínimo incremento de la tensión de entrada detectable a la salida. Se obtiene dividiendo la máxima tensión de entrada entre el número de combinaciones posibles de salida.
Error de cuantificación: aparece como consecuencia de la cuantificación (la continuidad de la señal analógica de entrada se divide en 2 N -1 rangos). Por lo tanto, todos los valores analógicos dentro de un rango están representados por un único código digital, normalmente el valor medio del mismo. En consecuencia existirá siempre un error de cuantificación de ±1/2 de LSB.
Error de linealidad: Es la máxima desviación de la salida real respecto a la teórica que sería línea recta.
Error de offset: ocurre cuando a tensión de entrada nula exista una salida no nula.
Error de escala: se llama también error de ganancia y es la diferencia entre las pendientes de las funciones de transferencia real e ideal.
Tiempo de conversión: es el tiempo empleado por el convertidor para proporcionar a su salida la combinación digital equivalente a la entrada analógica (un valor típico es 50ms, los rápidos bajan hasta 50 ns y los lentos trabajan en ms.).
Una variable analógica es aquella que toma infinitos valores entre dos puntos cualesquiera de la misma
Ejercicio Resuelto
A un conversor analógico digital, de 5V, y 8 bits, le entra una tensión de 2,8 voltios. Deducir el número binario en su salida.
5.- Conversores Digital Analógico
Caso práctico
Adrián: Entonces, si un autómata tiene que gobernar una servoválvula que trabaja con un control de 0 a 10V, el autómata tendrá que convertir los valores digitales de sus cálculos a un valor analógico, ¿es así?.
Tamara: Si, ahora la conversión es contraria, se llama conversión digital-analógica.
Aunque en la adquisición de datos no se utiliza expresamente la conversión digital/analógica (D/A), es muy importante saber que cuando realizamos control de procesos operamos con las señales obtenidas por los trasnductores para obtener una salida que es digital y que atacará a un elemento final (actuador) en forma analógica. Por lo tanto los convertidores D/A suelen ir a la par que los A/D.
Un converidor D/A es un circuito que traduce una señal digital en binario a una señal analógica.
A un conversor digital analógico de 10 bits y 10V, le entra un número binario de valor 1001110011, deducir el valor de la tensión de salida.
6.- Circuitos linealizadores
Caso práctico
Adrian: ¿Se puede cambiar el rango de un acondicionador para adaptarlo a las características del proceso a medir?. Si queremos que un acondicionador de temperatura que mide de -50 a 150º y da una tensión de 0 a 10V, de la misma tensión en el rango de 0 a 100 ºC, ¿Se puede hacer?.
Tamara: Creo que sí, utilizando amplificadores operacionales.
Muchas veces nos vemos obligados a cambiar los márgenes de entradas-salidas para adaptar distintos elementos (sensores, transductores, transmisores, controladores, actuadores, etc.) o bien para aprovechar todo el margen de actuación de los mismos.
Supongamos que tenemos un elemento que tiene por límites en tensión V1 y V2, y queremos adaptar este margen para atacar otro cuyos límites son V3 y V4. Esto se puede representar de la siguiente manera.
Para realizar esta operación de linealización se puede recurrir a la ecuación de una recta, es decir: Vs=A·Ve+B
Siendo A y B constantes, que se determinan sabiendo que a la entrada Ve=V1 le corresponde una salida Vs=V3 y que para la entrada Ve=V2 le corresponde una salida Vs=V4. En definitiva, A representa un factor de escala y B un offset.
En la siguiente figura se indica cuánto valen las constantes A y B:
Adrián: La instrumentación está basada en circuitos electrónicos, deberíamos dar un repaso a estos circuitos para comprender su funcionamiento y poder realizar alguna modificación o adaptación si fuese necesario.
Tamara: En instrumentación se utilizan mucho los amplificadores operacionales, para adecuar las características de salida de los sensores. Deberemos conocer sus características y circuitos más usuales para poder realizar algún montaje en caso necesario.
