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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.
Bajas economías de escala, alto costo
de mantenimiento.
Altas economías de escala, bajos costos
de mantenimiento.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
• ConclusionesUn 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 físicano eléctrica en otra eléctrica que, enalgunos de sus parámetros (nivel detensión, nivel de corriente, frecuencia,…) contiene la informacióncorrespondiente a la primera.
Por otra parte, es necesario utilizar circuitos deacondicionamiento con el objeto de que éste genere unaseñal eléctrica normalizada (ya sea por el fabricante osiguiendo pautas de organismos de normalización como IEC,IEEE, …).
Introducción a la Instrumentación Virtual
Principio de funcionamiento:
Introducción a la Instrumentación Virtual
• 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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
• Analógicas• • Adaptación:• – Amplificación.• – Escalado.• – Filtrado.• • Aislamiento eléctrico.• • Operaciones:• – Linealización.• – Comparación con
• límites o umbrales.• – Detección de fallos.• – Integración.• – Diferenciación.
• 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.
Acondicionamiento de señales
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Transductor
Introducción a la Instrumentación Virtual
• 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….
Transductores. Clasificación
Introducción a la Instrumentación Virtual
Transd. Resistivos: Potenciométricos
Ejemplo de uso:Automóviles
Introducción a la Instrumentación Virtual
Galgas extensométricas
Ecuación de la galga(K: Factor de galgaє: Deformación).
Acondicionamiento: Puente de Wheatstone
Aplicación: Puente completo para medir la flexión producida por un peso
(Se tiene dos veces más sensibilidad que en medio puente y 4 veces más que en cuarto de
puente)
Ecuación general del puente asumiendo pequeños incrementos de R
(∆R2 = ∆R3 = -∆R1 = -∆R4 )
LAB KVR
RVV 0
0
04
4
Introducción a la Instrumentación Virtual
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).
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Termistores (NTC y PTC)R. variable con Temp. A diferencia de las RTD, están hechas con semiconductores.
PTC (Positive Temperature Coefficient): Mayor linealidad, menor sensibilidadNTC (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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Light Dependent Resistor (LDR)
• 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.
Se
nsor
de
luz
Se
nsor
de
oscuri
dad
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Circuito típico de utilización Salida
Alimentación
Luz incidente
Introducción a la Instrumentación Virtual
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)
Introducción a la Instrumentación Virtual
Codificadores ópticos: Incrementales
Trenes de pulsos obtenidos en los dos canales
Ejemplos de discos ópticos y forma de montaje típicaPrincipio de funcionamiento
Introducción a la Instrumentación Virtual
Codificadores ópticos: Absolutos
Binario natural
Código Gray
Código de barras
Entregan la posición absoluta en N bit.
Hay que tener cuidado con los saltos de códigos
Lo habitual es usar el Código Gray.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores
“Instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en
señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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. Tiras colorimétricas
2. Electroquímicos:• Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol,
Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol
• Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol
3. Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.
Propiedades de un buen BiosensorIntroducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
BIOSENSORES1. Control de metabolitos críticos durante las operaciones quirúrgicas.
2. 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
3. Diagnóstico Doméstico:
• Ensayos de Embarazos
• Control de Glucosa en diabéticos
4. Aplicaciones in vivo:
– Páncreas artificial
– Corrección de niveles de metabolitos
– Problemas : Miniaturización y Biocompatibilidad
5. 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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS
– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox
– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones
– Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente iónico de las soluciones
2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS
3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS
4. BIOSENSORES ÓPTICOS
– De onda envanescente
– Resonancia de plasma superficial
5. BIOSENSORES CELULARES
6. INMUNOSENSORES
Introducción a la Instrumentación Virtual
UNIDADES FUNCIONALESDE UN BIOSENSOR
Introducción a la Instrumentación Virtual
Material biológico + Analito Analito unido
(Máxima respuesta electrónica posible) x (Concentración del analito)
(Constante de semisaturación) + (Concentración del analito)
Respuesta
electrónica=
Respuesta biológica
Respuesta Electrónica
Introducción a la Instrumentación Virtual
TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS
– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox
– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones
– Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente iónico de las soluciones
2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS
3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS
4. BIOSENSORES ÓPTICOS
– De onda envanescente
– Resonancia de plasma superficial
5. BIOSENSORES CELULARES
6. INMUNOSENSORES
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Electroquímicos Amperométricos:
“El electrodo de Oxígeno”
Introducción a la Instrumentación Virtual
Electrodo de Oxígeno
Introducción a la Instrumentación Virtual
DETERMINACION DELA 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Microelectrodo glucosa/lactatoSe 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Electroquímicos Potenciométricos
Determinan cambios en la concentración de iones concretos
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores potenciométricosIntroducción a la Instrumentación Virtual
Biosensor potenciométrico
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Electroquímicos Conductimétricos
Detectan cambios en conductividad eléctrica causados por alteraciones en la concentración de
iones
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Sensor de UreaNH2CONH2 +3H2O
2HN 4+ + HCO3
- + OH-
Ureasa
Otros ejemplos:
amidasas,
decarboxilasas,
esterasas,
fosfatasas y
nucleasas.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Termométricos:“Sensores bioquímicos y TELISA”
Introducción a la Instrumentación Virtual
Precisa un aislamiento Correcto
Puede detectar diferencias de 0,0001 ºC
Biosensor termométrico
Introducción a la Instrumentación Virtual
Reacciones usadas en biosensores termométricos
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Termométricos1) Poco éxito comercial
2) 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Piezoeléctricos:“Narices bioelectrónicas”
Aprovechan las propiedades eléctricas de los cristales:
- En transmisores y emisores de radio
- En transistores
- En chips
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Efecto Piezoeléctrico1) 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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Piezoeléctricos1) Se detectan variaciones muy pequeñas en la frecuencia de
resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm2
2) La medida se compra con un electrodo de referencia con
cristal sin material biológico.
3) Ejemplos:
1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO2
2) Detector de Cocaina
3) Detector de Formaldehido
4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Piezoeléctricos2) 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Piezoeléctricos
3) Detector de Pesticidas
Organofosforados:
• Colinesterasa inmovilizada en un
cristal de cuarzo mediante
glutaraldehido.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Piezoeléctricos
Inconvenientes:
• Muy influidos por la humedad.
Baja = poco sensibles
Alta = desaparece el efecto
piezoelectrico
• Inutilizables en líquidos.
Introducir y secar
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Ópticos:
• Permiten el uso de materiales detectores no eléctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo)
• No precisan sensores de referencia
Introducción a la Instrumentación Virtual
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)
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores Ópticos1) 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.
2) 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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”
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Biosensores celulares
Introducción a la Instrumentación Virtual
Inmunosensores
Introducción a la Instrumentación Virtual
Tipos de inmunosensore
s
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