Fundamentos de Instrumentación y Control: Sensores, Transmisión y Conversión Digital

La Cadena de Señal en Sistemas de Control

Necesidad de Sensores, Transductores y Acondicionadores de Señal

Es fundamental el uso de dispositivos como sensores, transductores, acondicionadores de señales y sistemas de transmisión para lograr un control permanente y preciso de cualquier proceso. Estos elementos son esenciales para mantener el menor rango de errores posible en la monitorización y actuación del sistema.

Transmisión de Datos: Serial vs. Paralela

La transmisión de datos serial puede llegar a ser más rápida que la transmisión en paralelo debido a las limitaciones físicas de esta última. A partir de cierto punto de velocidad, en la transmisión paralela se inducen voltajes entre las líneas (fenómeno conocido como crosstalk), lo que produce una atenuación significativa y errores en la señal enviada, limitando su velocidad máxima efectiva.

Codificadores Angulares: Incremental vs. Absoluto

Los codificadores incrementales determinan la posición angular mediante el conteo de pulsos recibidos por un fotorreceptor.

Ventajas y Desventajas del Codificador Incremental

• Ventaja: Permite manipular la resolución del codificador, a diferencia del absoluto, cuyas resoluciones son fijas.
• Desventaja: Si no se agrega una pista de referencia (índice Z), no se podría determinar la posición absoluta en todo momento sin necesidad de una inicialización o referencia externa.

Determinación del Sentido de Desplazamiento Lineal con Codificadores Incrementales

Un codificador incremental puede determinar el sentido del desplazamiento lineal mediante la técnica de cuadratura. Esto se logra agregando un segundo sensor (Sensor B) a una distancia determinada del sensor original (Sensor A).

El sentido del desplazamiento se determina analizando la secuencia de fase: dependiendo de qué señal (A o B) pase primero por el sensor, se establece si el movimiento es hacia adelante o hacia atrás.

Características y Funcionamiento de la Termocupla

La termocupla es un sensor de temperatura que presenta las siguientes características:

• No requiere alimentación externa (pasivo).
• Ofrece una rápida respuesta en el control de temperatura.
• Su funcionamiento se basa en el Efecto Seebeck, donde se genera un voltaje (fuerza electromotriz) en la unión de dos conductores diferentes cuando existe una diferencia de temperatura.
• Rangos operativos típicos: entre -200 °C y 1600 °C (dependiendo del tipo).

Acondicionamiento de Señal para Termocuplas

El circuito de acondicionamiento de la salida debe cumplir dos requisitos cruciales para evitar errores de medición:

1. Asegurarse de que no afecte la termocupla de referencia (compensación de la unión fría).
2. Debe encontrarse aislado para prevenir interferencias y errores de medición.

El Error de Incertidumbre en la Conversión Analógica-Digital (CAD)

En el contexto de la conversión analógica-digital, el error de incertidumbre puede estar relacionado con factores como el tiempo de conversión (Tc) del CAD, así como la distancia o rango de cambio de la señal analógica que está siendo medida.

Integración por el Método Trapezoidal (Transformación Bilineal)

La integración por el método trapezoidal es una buena aproximación en el diseño de controladores discretos. Esta sustitución se conoce formalmente como Transformación Bilineal (o Tustin) y es muy utilizada cuando se requiere que el controlador discreto mantenga una respuesta en frecuencias similar a la del controlador analógico original.

Muestreo y Cuantización

Muestreo

Proceso mediante el cual se obtienen valores discretos de una señal continua, espaciados uniformemente en el tiempo de muestreo ($T_s$).

Cuantización

Proceso de asignar un valor de código digital (discreto) al valor analógico muestreado.