Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
• ¿Qué es la Instrumentación Virtual? • Es la técnica de utilizar la computadora para construir un instrumento adaptado a las necesidades del usuario
Introducción a la Instrumentación Virtual Instrumento Tradicional
Instrumento Virtual
Definido por el fabricante
Definido por el usuario
Funcionalidad específica, con conectividad limitada.
Funcionalidad ilimitada, orientado a aplicaciones, conectividad amplia.
Hardware es la clave.
Software es la clave
Alto costo/función
Bajo costo/función, variedad de funciones, reusable.
Arquitectura "cerrada"
Arquitectura "abierta".
Lenta incorporación de nuevas tecnología.
Rápida incorporación de nuevas tecnologías, gracias a la plataforma PC. Altas economías de escala, bajos costos de mantenimiento.
Bajas economías de escala, alto costo de mantenimiento.
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Introducción a la Instrumentación Virtual •
Conclusiones Un instrumento virtual puede realizar las tres (3) funciones básicas de un instrumento convencional: • Adquisición • Análisis • Presentación de datos. Sin embargo, el instrumento virtual me permite personalizar el instrumento, y agregarle mucha más funcionalidad sin incurrir en costos adicionales. ¿Quiere conectividad de su instrumento con Ethernet? ¿Quiere almacenar sus datos en una tabla o archivo compatible con MS Excel? ¿Quiere agregarle a su instrumento un nuevo algoritmo o función que necesita en su experimento? La respuesta a todas estas preguntas está en sus manos, ya que todo ello puede hacerse y, mejor aún, puede hacerlo usted mismo. El instrumento virtual aprovecha la flexibilidad y poder del PC, y mediante el software que lo acompaña, el nivel de adaptabilidad y personalización del instrumento virtual es casi ilimitado. ¿Por qué limitarse entonces? . . . . . . . .
Introducción a la Instrumentación Virtual Arquitectura de un sistema de Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual En esta sección vamos a introducir los sensores y actuadores En general, convierten una señal física no eléctrica en otra eléctrica que, en algunos de sus parámetros (nivel de tensión, nivel de corriente, frecuencia, …) contiene la información correspondiente a la primera. Por otra parte, es necesario utilizar circuitos de acondicionamiento con el objeto de que éste genere una señal eléctrica normalizada (ya sea por el fabricante o siguiendo pautas de organismos de normalización como IEC, IEEE, …).
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Principio de funcionamiento:
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• Características: • •
Dado que pretenden la obtención de información de forma precisa, deben perturbar lo mínimo posible a la señal de entrada. La energía de la señal de entrada presenta dos componentes: - La que se extrae para transducirla (“medida” o indicación de la energía medida). - La que no se extrae (la energía medida).
• •
• •
La energía extraída debe ser pequeña respecto a la energía no extraída. Generalmente se pueden modelar mediante una fuente de tensión con una impedancia de salida grande o mediante una fuente de corriente con una impedancia de salida pequeña. Es necesario amplificar las señales que generan. Es necesario acoplar impedancias.
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Acondicionamiento de señales • • • • • • • • •
Analógicas • Adaptación: – Amplificación. – Escalado. – Filtrado. • Aislamiento eléctrico. • Operaciones: – Linealización. – Comparación con
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límites o umbrales.
• • •
– Detección de fallos. – Integración. – Diferenciación.
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Digitales • Amplitud: – Conversión de niveles. – Eliminación de rebotes. – Escuadrado. (hacer la señal más cuadrada) • Tiempo: – Adición de retardos. – Ampliación de pulsos. – Detectores de flancos. • Frecuencia: – Multiplicadores y divisores. – Osciladores. • Comparación de fase.
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Transductor
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Transductores. Clasificación • Según el principio de funcionamiento: – Pasivos ó de parámetro variable : • Resistivos • Capacitivos • Inductivos
– Activos • Fotovoltaicos • Piezoeléctricos • Electromagnéticos
– Especiales (Digitales, de alcance, etc…)
• Según la magnitud: • Temperatura • Presión • Fuerza, esfuerzo ó deformación. • Aceleración • Desplazamiento ó distancia • Humedad • Caudal • Y un largo etcétera….
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Transd. Resistivos: Potenciométricos
Ejemplo de uso: Automóviles
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Galgas extensométricas
Ecuación de la galga (K: Factor de galga є: Deformación).
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Acondicionamiento: Puente de Wheatstone Ecuación general del puente asumiendo pequeños incrementos de R
Aplicación: Puente completo para medir la flexión producida por un peso
(∆R2 = ∆R3 = -∆R1 = -∆R4 )
VAB V0
4R KV0 L 4 R0
(Se tiene dos veces más sensibilidad que en medio puente y 4 veces más que en cuarto de puente)
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Aplicaciones de las Galgas: • Células de carga: • Miden peso. • Construido en acero elástico. • Puente incluido y calibrado • Gran robustez. • Utilizado muy ampliamente en básculas de precisión. Sensibilidad de la célula de carga (especificada por el fabricante): Sensibilidad = (Tensión salida fondo escala/Tensión alimentación puente) (mV/V).
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Medida de presión con galgas integradas La presión produce deformación en láminas, tubos ó membranas Sobre estas membranas (generalmente de silicio) se integran micro-galgas y su circuito de acondicionamiento.
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Acelerómetros • Miden la aceleración a través de la deformación que sufre el soporte de una masa inercial, empleando sensores del tipo galga extensométrica, que han sido serigrafiados y calibrados durante el proceso de fabricación del sensor.
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Temperature-Dependent Resistors (RTD) • • • • •
•
Resistencia de platino (muy cara). Muy lineal: • R ≈ Ro(1 + T ) Valor óhmico en torno a 100-200 ohm.(PT100, PT200) Se utiliza la configuración en puente para medir con RTD. Necesita gran amplificación, ya que es muy pequeña (0’00385 ºC-1) y cada grado producirá increm. de 0.385 ohm en una PT100. Miden hasta unos 500ºC.
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Termistores (NTC y PTC) R. variable con Temp. A diferencia de las RTD, están hechas con semiconductores.
PTC (Positive Temperature Coefficient): Mayor linealidad, menor sensibilidad NTC (Negative Temperature Coefficient): Menor linealidad, mayor sensibilidad, son más usadas. Para temperaturas por debajo de 50ºC se puede considerar la sigte. Ecuación: Ro es la resistencia a la temp. de referencia To (25ºC) T y To en ºK es una característica del material.
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Sensor de oscuridad
• Una LDR es una resistencia con una característica muy particular: su valor depende de la intensidad de luz que incide en ella. • Cuando la intensidad de la luz aumenta, el valor de la resistencia desciende, y viceversa. • Una aplicación es la automatización de los sistemas de iluminación, de tal manera que al oscurecer se enciendan las luces.
Sensor de luz
Light Dependent Resistor (LDR)
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Transductores activos: Fotodiodos • La unión P-N de los diodos genera corriente inversa al ser irradiada por fotones incidentes. • Son bastante más rápidos que las LDR. • Suelen ser muy sensibles a los I.R. Alimentación Luz incidente
Circuito típico de utilización
Salida
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Transductores activos: Termopares •
• •
•
La simple unión de dos metales produce una tensión que depende de la temperatura y de la composición de ambos metales. Se trata de tensiones muy pequeñas. Son sensores muy robustos y alcanzan temperaturas de hasta 1700ºC, pero requieren instrumentación cara para hacer las medidas correctamente. El cableado ha de hacerse con el mismo par de metales del termopar de que se trate (hay 6 tipos estándar: E,J,K,R,S,T)
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Codificadores ópticos: Incrementales Principio de funcionamiento
Ejemplos de discos ópticos y forma de montaje típica
Trenes de pulsos obtenidos en los dos canales
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Codificadores ópticos: Absolutos Entregan la posición absoluta en N bit. Hay que tener cuidado con los saltos de códigos Lo habitual es usar el Código Gray.
Código de barras Código Gray Binario natural
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Biosensores “Instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación”
BIOSENSORES •
Utilizan la especificidad de los procesos biológicos: – – – –
Enzimas x Sustratos Anticuerpos x Antígenos Lectinas x Carbohidratos Complementariedad de ácidos nucleicos.
•
Ventajas: – – – –
•
Reutilización Menor manipulación Menor tiempo de ensayo Repetitividad
Tipos y usos mas comercializados: 1. 2.
Tiras colorimétricas Electroquímicos: • •
3.
Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol, Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol
Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.
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Propiedades de un buen Biosensor
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BIOSENSORES 1. 2.
3.
4.
5.
Control de metabolitos críticos durante las operaciones quirúrgicas. Consultas y Urgencias Hospitalarias: – Obvia análisis caros y lentos en laboratorios centrales – Acelera la diagnosis y el comienzo del tratamiento – Menor riesgo de deterioro de la muestra Diagnóstico Doméstico: • Ensayos de Embarazos • Control de Glucosa en diabéticos Aplicaciones in vivo: – Páncreas artificial – Corrección de niveles de metabolitos – Problemas : Miniaturización y Biocompatibilidad Aplicaciones Industriales, militares y medio ambientales: – Alimentación – Cosmética – Control de Fermentaciones – Controles de Calidad – Detección de Explosivos – Detección de gases nerviosos y/o toxinas biológicas – Control de polución.
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TIPOS DE BIOSENSORES 1.
2. 3. 4.
5. 6.
BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS – Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox – Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones – Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados con cambios en el ambiente iónico de las soluciones BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS BIOSENSORES ÓPTICOS – De onda envanescente – Resonancia de plasma superficial BIOSENSORES CELULARES INMUNOSENSORES
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UNIDADES FUNCIONALES DE UN BIOSENSOR
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Material biológico + Analito
Analito unido
Respuesta biológica
Respuesta Electrónica Respuesta = electrónica
(Máxima respuesta electrónica posible) x (Concentración del analito) (Constante de semisaturación) + (Concentración del analito)
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TIPOS DE BIOSENSORES 1.
2. 3. 4.
5. 6.
BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS – Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox – Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones – Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados con cambios en el ambiente iónico de las soluciones BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS BIOSENSORES ÓPTICOS – De onda envanescente – Resonancia de plasma superficial BIOSENSORES CELULARES INMUNOSENSORES
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Biosensores Electroquímicos Amperométricos: “El electrodo de Oxígeno”
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Electrodo de Oxígeno
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DETERMINACION DE LA FRESCURA DEL PESCADO Tras la muerte, los nucleótidos del pescado sufren una serie de reacciones de degradación progresiva: BIOSENSOR: xantina-oxidasa y nucleósdio fosforilasa inmovilizadas sobre una membrana de triacilcelulosa de un electrodo de Oxígeno. K < 20 El pescado puede ser comido crudo. 20 > K < 40 El pescado debe ser cocinado. K > 40 Pescado no apto para el consumo
Los nucleótidos se podrían determinar utilizando el mismo electrodo y muestra, pero añadiendo nucleotidasa y adenosín-deaminasa
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Microelectrodo glucosa/lactato
Se puede recubrir la superficie de pequeños electrodos polimerizando pirroles junto con biocatalizadores y mediadores, utilizando métodos de micro fabricación de microprocesadores, en incluso disponiendo varios sensores en los mismos
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Biosensores Electroquímicos Potenciométricos Determinan cambios en la concentración de iones concretos
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Biosensores potenciométricos
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Biosensor potenciométrico
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Biosensores Electroquímicos Conductimétricos Detectan cambios en conductividad eléctrica causados por alteraciones en la concentración de iones
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Sensor de Urea NH2CONH2 +3H2O Ureasa
2HN 4 + + HCO3- + OHOtros ejemplos: amidasas, decarboxilasas, esterasas, fosfatasas y nucleasas.
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Biosensores Termométricos: “Sensores bioquímicos y TELISA”
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Biosensor termométrico
Precisa un aislamiento Correcto Puede detectar diferencias de 0,0001 ºC
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Reacciones usadas en biosensores termométricos
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Biosensores Termométricos 1) 2)
Poco éxito comercial Ventaja: se puede acoplar fácilmente varias reacciones en un único reactor 3) Ejemplo: 1) Detector de Lactato Lactato + O2------(lactato -oxidasa)---> piruvato + H2O Piruvato + NADH+ H+--(lactato deshidrogenasa)--> lactato + NAD+ 4) Puede utilizarse células viables 5) Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimático: ELISA termométrico o TELISA
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Biosensores Piezoeléctricos: “Narices bioelectrónicas” Aprovechan las propiedades eléctricas de los cristales: - En transmisores y emisores de radio - En transistores - En chips
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Efecto Piezoeléctrico “Producción de un campo eléctrico por separación de las cargas positivas y negativas en algunos tipos de cristales al someterlos a ciertas tensiones” 1)
Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico se deformará. 2) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico que oscila a una frecuencia determinada vibrará con una frecuencia característica.
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Efecto Piezoeléctrico 1)
La frecuencia de resonancia se encuentra en el rango de los 10 MHz (radiofrecuencia). 2) La frecuencia de resonancia depende de: • La composición del cristal • El Grosor • La forma en que fue cortado 3) Un cristal piezoeléctrico varía su frecuencia de resonancia cuando se adhieren moléculas a su superficie.
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Biosensores Piezoeléctricos 1) 2) 3)
Se detectan variaciones muy pequeñas en la frecuencia de resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm2 La medida se compra con un electrodo de referencia con cristal sin material biológico. Ejemplos: 1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO2 2) Detector de Cocaina 3) Detector de Formaldehido 4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)
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Biosensores Piezoeléctricos 1)Detector de Cocaína: • Anticuerpos contra cocaína fijados sobre un cristal piezoeléctrico. • Detecta una parte por billón • 50 MHz de cambio en la frecuencia de resonancia. • Se limpia en segundos por aireación.
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Biosensores Piezoeléctricos 2) Detector de Formaldehido: CH2 +H2O +NAD+ gNADH +HC02H + H2
Catalizada por la formaldehido deshidrogenasa inmovilizada con glutation (cofactor) por entrecruzamiento con glutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9 MHz
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Biosensores Piezoeléctricos 3) Detector de Pesticidas Organofosforados: • Colinesterasa inmovilizada en un cristal de cuarzo mediante glutaraldehido.
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Biosensores Piezoeléctricos Inconvenientes: • Muy influidos por la humedad. Baja = poco sensibles Alta = desaparece el efecto piezoelectrico • Inutilizables en líquidos. Introducir y secar
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Biosensores Ópticos: • Permiten el uso de materiales detectores no eléctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo) • No precisan sensores de referencia
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Biosensor de fibra óptica para lactato • Detecta cambios en la en la concentración de oxígeno determinando la reducción de la fluorescencia de un fluorocromo (quenching)
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Biosensor de célula óptica para albúmina sérica • Detecta la absorción de luz a 630 nm que pasa a través de la célula detectora. • Se evalúa el cambio de amarillo a azul verdoso del verde de bromocresol cuando se une a la albúmina sérica a pH 3.8 • Respuesta lineal a la albúmina en un intervalo de 5 a 35 mg/cm3
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Biosensores Ópticos 1)
2)
Detección de Vapores: • Ensayo sólido colorimétrico que detecta vapor de alcohol utilizando alcohol-oxidasa, peroxidasa y 2,6-diclorindofenol sólidos dispersados sobre placas de TLC (cromatografía en capa fina) de celulosa microcristalina transparente. Tiras colorimétricas de un solo uso: • Los más utilizados: análisis de sangre y orina. • Control de la glucemia en diabéticos Glucosa oxidasa, peroxidasa de rábano y un cromógeno que cambia el color al ser oxidado
Cromógeno (2H) + H2O2----(peroxidasa)--->colorante + 2H2O
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Biosensores Ópticos 3)
Reacciones luminiscentes: • Utilización de luciferasa • Detecta la presencia de microorganismos en orina al liberar ATP en su destrucción
Luciferina + ATP----(luciferasa)---> oxiluciferina + CO2 + AMP + ppi + luz
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Biosensores ópticos de onda evanescente
Menor índice de refracción >
Mayor índice de refracción >
“Un haz de luz será reflejado en su totalidad cuando incida sobre una superficie transparente presente entre dos medios, cuando proceda del medio con mayor índice de refracción y cuando el ángulo de incidencia sea mayor que un valor critico”
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Biosensores ópticos de onda evanescente
Menor índice de refracción >
Mayor índice de refracción >
“En el punto donde se produce la reflexión, se induce un campo electromagnético que penetra en el medio que tiene menor índice de refracción” “Este campo es denominado onda evanescente y decae exponencialmente con la distancia de penetración, desapareciendo tras unos pocos nanómetros”
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Biosensores ópticos de onda evanescente
Menor índice de refracción >
Mayor índice de refracción >
“La onda evanescente decae exponencialmente con la distancia de penetración, desapareciendo tras unos pocos nanómetros” “La profundidad a la que penetra depende del índice de refracción, de la longitud de onda de la luz utilizada y puede ser controlada con el ángulo de incidencia.
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Biosensores ópticos de onda evanescente
Menor índice de refracción >
Mayor índice de refracción >
“La onda evanescente puede interaccionar a su vez con el medio, provocando un campo electromagnético que puede volver al medio con mayor índice de refracción, dando lugar a cambios en la luz que continúa a lo largo de la guía de ondas.”
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Inmunosensor de onda evanescente Especialmente indicados para inmunoensayos: • No es necesario separar el resto de los componentes de una muestra clínica
• La onda solo penetra hasta el complejo antígeno anticuerpo • Se excitan fluorocromos unidos a la superficie mediante la onda evanescente, y la luz emitida por ellos volverá a la fibra óptica • La cantidad de muestra necesaria es mínima
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Resonancia de plasma superficial
“Si la superficie del cristal está recubierta por una capa metálica (oro, plata, paladio) los electrones de su superficie pueden oscilar en resonancia con los fotones generando un onda de plasma superficial y amplificando el campo evanescente en la cara mas alejada del metal”
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Resonancia de plasma superficial
“Si la capa de metal es lo suficientemente delgada como para permitir al campo evanescente penetrar hasta la superficie opuesta, el efecto será muy dependiente del medio adyacente al metal”
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Resonancia de plasma superficial
“Este fenómeno sucede sólo cuando la luz incide con un ángulo específico, el cual depende de la frecuencia, el grosor de la capa metálica y el índice de refracción del medio que se encuentra inmediatamente sobre la superficie metálica”
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Resonancia de plasma superficial
“La producción de esta resonancia de plasma superficial absorbe parte de la energía de la luz reduciendo la intensidad de la luz reflejada internamente”
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Resonancia de plasma superficial
“Los cambios que suceden en el medio provocados por interacciones biológicas pueden ser apreciados detectando los cambios de intensidad de la luz reflejada o el ángulo de resonancia”
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Cambio en la absorción por efecto de la resonancia de plasma superficial “Detección de la gonadotropina coriónica humana (hCG) mediante un anticuerpo unido a la superficie del biosensor: La unión cause un cambio en el ángulo de resonancia”
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Resonancia de plasma superficial
• • •
Permiten detectar partes por millón Un análisis típico requiere 50µl de muestra y tarda 5 a 10 minutos Puede utilizarse con DNA y RNA.
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Biosensores celulares
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Inmunosensores
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Tipos de inmunosensore s
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