INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN...

Máster deEnsayos en Vuelo

(ETSIA-UPM)

ETSIA-UPM29.04.08

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELO


RAFAEL GONZALEZ ARMENGODJEFE DEL LABORATORIO DE TELEMEDIDA E INSTRUMENTACIONAREA DE ENSAYOS EN VUELO Y [email protected]

mailto:[email protected]


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• INTRODUCCION • RADIOFRECUENCIA • INSTRUMENTACION • CAPTADORES • SISTEMAS DE TELEMEDIDA

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINDICE


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• Desde que a principios del siglo XX, se realizaran los primeros vuelos en avión, una de las máximas ilusiones de losingenieros encargados del diseño de los mismos fue el poder disponer en tiempo real de las variaciones de aquellasmagnitudes que son necesarias para poder caracterizar el vuelo del avión y así poder realizar ensayos que aumenten tanto la seguridad como la fiabilidad de los aparatos.

• Con el paso del tiempo se ha ido pasando por una serie de técnicas que han posibilitado el que finalmente ymediante enlace radioeléctrico se pueda disponer y en tiempo real de los datos tan deseados por los especialistas.Se ha pasado de la información recogida por el piloto en su “piernógrafo” tras la simple lectura de los instrumentosde la cabina, a la instrumentación específica de ensayos en vuelo colocando sensores muy precisos en paralelo conla instrumentación del avión y además de la misma; los valores de esta instrumentación de ensayos eran en unprincipio solo registrados (Sufriendo los métodos de registro también una gran evolución que va desde el registrooscilográfico, al actual digital, pasando por el analógico en cinta magnética hoy prácticamente en desuso) y en la actualidad son registrados y enviados en tiempo real a una estación de seguimiento de ensayos donde los diversos especialistas de avión pueden seguir en tiempo real la evolución de las magnitudes físicas objeto de su interés.

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINTRODUCCION I


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La actividad en un centro de ensayos en vuelo podríamos dividirla en tres grupos básicamente:

• El grupo de métodos dentro del área de vuelo, que define, en función del avión y de las características que se quieranestudiar o verificar, los tipos de ensayos a realizar, y los parámetros a medir; especificando para cada uno de ellos laprecisión requerida y la frecuencia máxima esperada.

• El grupo de adquisición de datos, que a partir de las anteriores especificaciones, selecciona la instrumentación de ensayos

(el conjunto de medios para la obtención, tratamiento, transmisión y presentación de la información de ensayos) la instala,pone a punto y mantiene.

• El grupo de proceso, que recepciona la información registrada o transmitida y hace con ella todas las operaciones

necesarias hasta la presentación de los resultados en unidades físicas a los ingenieros de métodos.

La actividad de adquisición de datos ha sufrido una enorme expansión en respuesta a la necesidad cada vez mayor demedir mas parámetros y variando estos a frecuencias mayores. En un principio era el propio piloto el que tomaba nota de las lecturas de los instrumentos del avión. Al aumentar el númerode parámetros se paso al registro fotográfico mediante cámaras fijas que fotografiaban los instrumentos del panel a intervalos regulares. Con el aumento de la frecuencia de los parámetros a medir, se paso al registro oscilográfico y al registro magnético a razónde una señal por pista. En este caso, las unidades de adquisición se identificaban con el acondicionamiento o amplificación necesaria para que cada señal atacara al correspondiente canal. La aplicación de técnicas de mezclado en frecuencia yconmutación Mecánica de señales (multiplexado de frecuencia y tiempo) impuso la fase de los sistemas de adquisición de datos modernos. Este aprovechamiento de la electrónica de estado sólido y de las técnicas digitales, ha dado paso al siguiente avance: La utilización de conmutación electrónica y tratamientos digitales de las señales mucho más inmune al ruido.

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Los equipos más modernos, siguen manteniendo esta línea (PCM y FM banda ancha) aumentando la capacidad en cuantoal número de parámetros y velocidad de transmisión de datos con lo que se posibilita el análisis de los ensayos en tiemporeal. Avances notables se han producido en la toma del filtrado de señales que posibilitan el que las señales sean recuperadascon mayor fidelidad. Veamos ahora los elementos que constituyen una cadena de adquisición de datos: • Fuentes de señal • Acondicionamiento de señal • Unidades de adquisición de datos • Modos de transferencia • Sistemas de restauración de señal • Unidades de presentación o quick-look Las fuentes de señal son los sensores y las bases de comunicación de los sistemas del avión así como los tappings. Los sensores son los elementos que traducen las magnitudes físicas en magnitudes eléctricas. Lo más importante esconocer el comportamiento de los sensores, o lo que es lo mismo, las leyes que gobiernan el cambio de magnitudes físicasa eléctricas. El comportamiento de los sensores se suele identificar mediante sistemas lineales determinados, siendo los de segundoorden las más comunes. Por otro lado, el comportamiento de los sensores como sistemas lineales no es perfecto y se dan otra serie decaracterísticas que definen el ancho de banda, como son: resolución, repetitibilidad, linealidad, offset, etc. Los sensores suelen disponer hoy en día de sistemas de autotest que permiten verificar el estado del sensor y la bondad desu medida.

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Existen multitud de sensores, de entre los cuales destacan:

• Captadores de presión • Acelerómetros • Giroscopios, plataformas giroscópicas • Potenciómetros • Termopares y termoresistencias • Sincros, Resolver

Los tapping son tomas en paralelo de los sistemas del avión. Como buses de datos típicos, tendríamos el MIL-STANDARD 1553, el Arinc 429 y más modernamente el Stanag 3910 o el 3838. La señal que se obtiene de un sensor o un tapping debe ser tratada para poder ser manejada por el sistema de adquisiciónpara lo cual se procede a su amplificación o reducción, a un filtrado, etc. La adquisición de los datos de los sensores se realiza mediante un multiplexado en el tiempo o en la frecuencia formandoen la mayor parte de los casos un cadena PCM (Pulse Code Modulation) con un determinado formato y código. Una vez tenemos la información confirmada se procede a mandarla hacia el lugar de análisis posterior. Esto se puederealizar de dos maneras: • Vía radio • Mediante grabación

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Una vez la señal esta en el laboratorio de proceso deberá procederse a recuperar la información inicial, para lo cual se hacepreciso restaurar la cadena PCM, y a partir de esta los valores leídos y el instante en el cual fueron leídos en cada sensor. Dependiendo de la velocidad a la que se realiza todo el proceso anteriormente mencionado Durante el seguimiento de los ensayos bien en tiempo real, bien mediante reproducción de cualquier elemento de registro,se utilizan diversos medios para poder mostrar a los especialistas las variables objeto del ensayo. Frecuentemente seutilizan las pantallas de las estaciones de trabajo con diseños apropiados para cada ensayo así como representaciones delas variables más importantes en soporte papel para aquellos parámetros que requieren un estudio cuasi inmediato de uncierto intervalo de tiempo Desde el mundo de los ensayos en vuelo donde no solo se ensayaban aviones sino que también se puede extender en la segunda mitad del siglo a los cohetes, satélites, misiles, UAS’s, etc. el mundo de la telemedida en tiempo real ha penetradocon fuerza en otros ámbitos como son la automoción, fundamentalmente en sus ramas deportivas (Hoy en día esimpensable un gran premio de Fórmula 1 o de motociclismo sin datos de los vehículos en tiempo real en los boxes adisposición de ingenieros y pilotos así como de imágenes provenientes de cámaras instaladas en los vehículos que hacenpara el espectador mucho más atractivo el seguimiento), las retransmisiones deportivas (ciclismo, atletismo, etc.) y losexperimentos científicos más modernos (Basten dos ejemplos, el estudio del movimiento de diversas especies comoballenas, delfines, gacelas, etc. mediante la instalación de sensores que delatan su posición o el estudio de nuestraatmósfera mediante sensores instalados bien en cohetes de medio alcance , en globos estratosféricos y mas modernamente en aeronaves tripuladas o no).

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• Esta evolución ha tenido su origen como tantas otras en Norteamérica, donde incluso han llegado a normalizar todo lo relativo a los ensayos basados en la telemedida (Normas IRIG “Inter Range Instrumentation Group”) y ha pasado al resto del mundo y en particular a España donde desde hace más de 25 años las empresas inmersas en la punta de la ciencia aeronáutica usan estas técnicas profusamente. Se pueden citar empresas como EADS-CASA, INTA o el ejército del aire entre las más relevantes.

• Afortunadamente para todos los usuarios de telemetría, un comité compuesto por ingenieros en telemetría de

todos los centros más importantes en el campo de los ensayos en vuelo de los Estados Unidos ha estado en activo desde principios de los 50, formulando normas que establezcan las bases para el diseño de equipos y sistemas de telemetría. Éstas ‘IRIG Standard’ son revisadas con frecuencia (normalmente cada dos o tres años) y por ello representa un perfil de tendencias razonable de la vanguardia.

• Con el fin de planificar, atribuir y asignar las bandas de frecuencias del espectro radioeléctrico, de manera tal que todos los países puedan compartir este recurso limitado en forma adecuada, la UIT ha dividido al mundo en tresRegiones. Con base en esa división, la parte internacional del "Cuadro" consta de tres columnas, denominadas:Región 1, Región 2 y Región 3, respectivamente

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“El objetivo del diseño del enlace de radiofrecuencia es tener una probabilidad satisfactoria de que el receptor recibirá unaseñal lo suficientemente fuerte para poder obtener a una salida los datos con la precisión requerida”

• El caso típico es determinar la antena para una distancia determinada:

GR(dB)=C/M(dB)+LT(dB)+LS(dB)+Lp(dB)+LM(dB)+K(dB)+TS(dB)+BSF(dB)-PT(dB)-GT(dB) C= Potencia portadora en la antena receptora PT= Potencia del transmisor GT= Ganancia de la antena transmisora GR= Ganancia de la antena receptora LT= Pérdidas entre transmisor y antena LS= Pérdidas en el espacio = 36,6+20log f(MHz)+20log d(NM) Lp= Pérdidas de polarización LM= Pérdidas por multipath (Se estiman para los cálculos en unos 12 dBi) M= Potencia de ruido = K TS BSF

K= Cte de Boltzman TS= Temperatura de ruido del sistema BIF= Ancho de banda de predetección del receptor

• Para una buena recepción se necesitan del orden de 12dB de C/M • En función de la ganancia de la antena receptora las antenas que la permiten serían:

<7dB Omnidireccional 10-18dB Fija direccional para cubrir corredor. Seguimiento de un eje para cubrir acimut 23-32dB Seguimiento de 2 ejes

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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOMODULACIONES

Los canales que han sido muestreados, cuantificados y multiplexados enuna corriente de bits serie dentro de un sistema de adquisición seutilizan para modular una portadora, en el caso de que el medio detransferencia utilizado se le telemetría. Existen diversos tipos de modulación:

1. ASK= Consiste en conectar la salida de un oscilador on-off según los

datos sean unos o ceros (Amplitud Shift Keying) 2. PSK= Conecta la salida de un oscilador entre cero y Π radianes

(Phase Shift Keying) 3. FSK= Se conmuta entre la salida de dos osciladores aleatoriamente

desfasados pero de la misma frecuencia (Frecuency Shift Keying). 4. PCM-FM= Se modula en frecuencia de salida de un oscilador con los

datos PCM 5. PCM-AM= Se modula en amplitud la salida de un oscilador con los

datos PCM 6. PCM-PM= Se modula en fase la salida de un oscilador por los datos

PCM


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La modulación de datos de la portadora de radio frecuencia (RF) debe ser diseñada adecuadamente para asegurar laprecisión de la transmisión. En los sistemas PCM y con el fin de garantizar el máximo aprovechamiento del ancho de banda de transmisión, la salidadel codificador suele ser código NRZ debido a su menor ocupación espectral frente a otros códigos. Esta salida es una onda cuadrada. Si esta señal PCM de onda cuadrada es aplicada directamente para modular el transmisor, los componentes de alta frecuencia de los flancos cuadrados podrían causar radiaciones falsas inaceptables del sistema. Para evitar estasradiaciones, un filtro de premodulación es usado en la señal NRZ. Este filtro paso bajo, instalado como una opción en elcodificador, tiene una respuesta de característica Bessel (fase lineal), con al menos 6 polos. La salida del filtro no contieneflancos cuadrados. La frecuencia de corte nominal del filtro debe ser 0.7 veces la tasa de bit para datos NRZ, o 1.4 veces la tasa de bit para datos bi-fase. Típicamente, la portadora transmisora es desviada ± 0.35 de tasa de bit para datos NRZ, aún así, el ancho de banda de la desviación es desde +0.35 tasa de bit a -0.35 tasa de bit, o 0.7 tasa de bit total.

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-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Pow

er (d

Bc)

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Relative Frequency (Bit Rate=1)


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Uno de los problemas más frecuentes que se pueden presentar a la hora de realizar ensayos fundamentalmente cuando elobjeto del seguimiento sobrevuela superficies planas es el desvanecimiento multitrayecto de la señal, que se reducemediante técnicas de diversidad pero en frecuencia. Para llevarlas a cabo desde el vehículo emisor se utilizan dostransmisores a frecuencias distintas (separadas idealmente entre un 2 y un 5 %) emitiendo con parámetros lo más similaresdentro de lo posible (idealmente deberían ser iguales los modelos de transmisión), y en tierra se utilizan dos receptoressintonizados cada uno a una de las frecuencias de emisión y seguidos de un combinador por diversidad que realiza lasuma de las señales en tensión y de los ruidos en potencia consiguiendo de esta forma dos objetivos fundamentalmente, uno evitar la pérdida de la información caso de desvanecimiento de una de las dos señales y dos mejorar la resultante desalida hasta 3 dB por encima en S/N de la mejor de las dos señales entrantes.

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Mejora del Diversity Combining


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• CRITERIOS DE SELECCIÓN: o BANDAS DE FRECUENCIA:

MENOS FRECUENCIA MEJOR PROPAGACIÓN MENOS FRECUENCIA MENOR ANCHO DE BANDA MENOS FRECUENCIA MENOR INCIDENCIA FENÓMENOS COLATERALES EN LA PROPAGACIÓN ( EFECTO

VELOCIDAD, ATMÓSFERA, LLUVIA, ETC) CUESTIONES LEGALES CNAF

o TONOS IRIG 14 Y 15: POR ENCIMA DE LA FRECUENCIA DE CORTE DEL FILTRO DE PREMODULACION DEL TELECOMANDO NORMALIZADOS RAZONES DE SEGURIDAD

o COMPRESIÓN DE VIDEO PSEUDO ENCRIPTADO REDUCCIÓN DEL NUMERO DE CANALES DE SALIDA A 1:

• MENOS ELEMENTOS RADIANTES MENOS POSIBILIDAD DE INTERFERENCIA • DISMINUCIÓN CONSUMO Y PESOS • REDUCCIÓN COSTES

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCRITERIOS RF


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El conjunto de aparatos y equipos que se instalan en el avión y en la estación de tierra para la adquisición y posteriorproceso de datos de ensayos en vuelo, recibe el nombre genérico de "instrumentación de ensayos en vuelo". De forma simplificada, la instrumentación de ensayos embarcada se divide en:

• Captadores, sensores o transductores: Su misión es convertir la variación del parámetro que se quiere medir en la variaciónde una señal eléctrica (de tensión o de corriente, analógica o digital, alto o bajo nivel, etc.) de forma que tal señal pueda ser manejada por el resto de la instrumentación.

Tipos más importantes de captadores: Inductivos, capacitivos, tipo servo, extensímetros, potenciómetros,

termoresistencias, termopares, giroscopos, etc.

• Tappings

• Sistema de adquisición de datos PCM: Recoge todas las señales procedentes de captadores, realizando un muestreo detodas ellas. La velocidad de muestreo (numero de veces por segundo que cada parámetro es muestreado) depende de lafrecuencia de variación del parámetro; la teoría recomiendo muestrear dos veces la frecuencia máxima de variación, en lapráctica, los parámetros se muestrean entre 4 y 10 veces su frecuencia máxima. Una vez realizado el muestreo se procede a la conversión analógico-digital; la resolución de los sistemas más utilizados es de 16 bits por palabra. Por último el sistema elabora un mensaje PCM (Pulse Code Modulation), introduciendo tramas de sincronización e identificación.

• Sistema de transmisión de información, El mensaje elaborado por el sistema de adquisición se lleva a un registrador

embarcado adecuado, depositándose la información para su posterior proceso, o bien puede emitirse por un transmisor deradio; este último método (que puede emplearse asociado al registro embarcado o en solitario) recibe el nombre de telemedida y permite la realización de ensayos en los que los resultados pueden conocerse en el mismo momento del ensayo.

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• La estación de tierra completa la cadena de medida, transmisión y proceso de la información; sus elementos másimportantes son los siguientes:

Reproductor o receptor de telemedida: Dependiendo de que método de transmisión haya sido utilizado, uno u otroequipo se encargan de recuperar en tierra el mensaje procedente inicialmente del sistema de adquisición.

Deconmutador PCM: Realiza la conversión serie-paralelo del mensaje PCM sobre una base que veremos a

continuación.

Ordenador de proceso de datos: Es el receptor final de los datos de ensayo. Sus funciones más importantes son:

- Recepción de la información del deconmutador PCM y almacenamiento de la misma. - Tratamiento de errores - Conversión a unidades físicas., aplicando los datos de las calibraciones de los distintos parámetros tratados. - Interpolación y cálculo de parámetros no directamente medidos. - Presentación de resultados en tablas y gráficos.

SISTEMA DE TELEMEDIDA Y TELECOMANDOINSTRUMENTACION II


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• Un sistema de adquisición PCM consta básicamente de tres etapas:

Muestreo en el tiempo de los parámetros a medir Conversión A/D de la señal eléctrica Elaboración del formato PCM

• El formato PCM define el ciclo básico repetitivo con el que funciona el sistema de adquisición de datos; dicho ciclo

recibe generalmente el nombre de ciclo largo o ciclo principal; cada ciclo largo esta dividido en un determinado numerode ciclos cortos o subciclos cuyos limites vienen marcados por las tramas de sincronización de forma que cada ciclo corto comienza por un grupo (generalmente 2 o 3 palabras) de sincronización; en cada ciclo corto se incluye unapalabra de identificación cuyo valor indica la posición del ciclo corto dentro del ciclo largo.

El mensaje PCM es un mensaje serie, es decir, por un único canal se envía toda la información, de forma que al últimobit de una palabra sigue el primero de la siguiente sin ningún tipo de marca de final de palabra.

El deconmutador PCM en la estación de tierra, se encuentra pues con el problema de que para realizar la conversiónserie-paralelo carece aparentemente de base para delimitar el principio y fin de cada palabra. Para resolver esteproblema se hace uso de las tramas de sincronización.

Las tramas de sincronización tienen un contenido fijo de forma que en cada una de ellas tenemos una sucesión de “n”

bits que van a aparecer periódicamente. El deconmutador PCM tiene capacidad para reconocer esta secuencia, deforma que sabe que el bit siguiente a la secuencia “n” es el primero de la primera muestra. Con este criterio se sientan las bases para la conversión serie-paralelo. De alguna forma el deconmutador sabe que posición ocupa la palabra de identificación de modo que al leerla y examinar su valor, sabe perfectamente en que posición se encuentra dentro delciclo largo. Para saber en que ciclo corto del ciclo largo nos encontramos se emplea un marcador de ciclos cortos,habitualmente denominado SFID, que no es otra cosa que un contador que nos permite en todo momento tener junto con la trama de sincronismo ubicadas las muestras de los parámetros analizados.

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• Los sistemas PCM presentan una relativa capacidad de recuperación frente a fallos en el sistema de registro o de

transmisión-recepción. Una eventual perdida de información supondría la perdida del sincronismo con que se detectanlas palabras de sincronización, lo cual es inmediatamente reconocido por el deconmutador PCM. Frente a tal perdida, eldeconmutador relanza su proceso de sincronización, es decir, comienza a buscar de nuevo la secuencia de “n” bits fijos correspondientes a las palabras de sincronización.

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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINSTRUMENTACION V

Data Sampler

Commutato

r

Clock (Timing) Generator

Shift register

Transmision Equipment

Analog to Digital

converter

Code Conver

- ter

Sync Pattern

SignalCond.

Serial Binary Train with Sync

Analog Sample Pulse Train

Parallel Digital Representation of Samples

Sync Pattern Insertion

Serial

Output

PCM ENCODER

DA

TA S

OU

RC

ES

(T

d)


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINSTRUMENTACION VI

Code

Logic Waveform Levels

CODE WAVEFORMS Code Definitions

1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 Non Return to Zero - Level

NRZ-L “ONE” is represented by one level “ZERO” is represented by the other level Non Return to Zero - Mark

NRZ-M “ONE” is represented by a change in level “ZERO” is represented by NO change in level Non Return to Zero - Space

NRZ-S “ONE” is represented by NO change in level “ZERO” is represented by a change in level Bi-Phase - Level(1)

Biφ-L “ONE” is represented by a “ONE” level with transition to the “ZERO” level

“ZERO” is represented by a “ZERO” level with transition to the “ONE” level

Bi-Phase - Mark(1) Biφ-M(2) “ONE” is represented by NO level change at the beginning of the b

period it

“ZERO” is represented by a level change at the beginning of the biperiod

t

Bi-Phase - Space(1) Biφ-S(2) “ONE” is represented by a level change at the beginning of the bit

period “ZERO” is represented by a NO level change at the beginning of th

bit period e

1

0 1

0 1

0 1

0

1

0

1

0


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINSTRUMENTACION VII

ESTRUCTURA DE UN CICLO PCM S1,S2,...=Palabras de sincronización Id0, Id1,...=Palabras de identificación P1,P2....=Parámetro 1, Parámetro 2, .....

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 S1 S2 P1 P2 P3 P4 P1 Id0 P6 P8 P1 P2 P10 P14 P1 P18

1 S1 S2 P1 P2 P3 P4 P1 Id1 P7 P9 P1 P2 P11 P15 P1 P19







Palabra

Ciclo corto


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOINSTRUMENTACION VIII

TABLE C-1. OPTIMUM FRAME SYNCHRONIZATION PATTERNS FOR PCM TELEMETRY

Pattern Length Patterns

16

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“En general se denominan Sensores, Captadores o Transductores a los elementos que transforman las variaciones de laseñal física que se quiere medir, en variaciones de otro tipo de señal, normalmente eléctrica”

• La conversión señal física-señal eléctrica no suele ser directa y normalmente intervienen otras variables físicas intermedias. Por ejemplo un captador de presión de tipo "strain-gage" convierte la presión en la deflexión de un diafragma que a su vez se convierte en una señal eléctrica

• En algunos casos particulares, se establecen diferencias entre los términos a los se ha dado la misma definición. Así por

ejemplo, en la instalación anemométrica de un avión para la medida de altura y velocidad, se reserva el término SENSOR para los tubos de pitot y/o estática, mientras que se aplica el término TRANSDUCTOR al elemento que realiza la conversión de la señal

• Una característica básica de un CAPTADOR es que su señal de salida sea función (en la medida de lo posible) de la señal

de entrada que mide. Por ejemplo la resistencia de un extensímetro o "strain-gage" es, no solo función de la fuerza aplicada al hilo, sino también de la temperatura; un buen captador que emplee extensímetros debe cuidar que esta influencia de la temperatura sea mínima, o bien, proveer un mecanismo de compensación que conduzca a este resultado. La mayoría de los captadores definen sus propiedades dentro de un margen especifico de temperaturas; los utilizados en instrumentación de ensayos en vuelo deben tener el mayor margen posible de temperaturas, así como garantía de funcionamiento correcto en presencia de condiciones adversas (vibraciones, aceleraciones, etc.); estas características califican al captador como "aeronáutico" o "embarcable" y suponen un considerable aumento de precio sobres sus parientes "industriales" o "comerciales".

• Atendiendo al tipo de salida eléctrica, los captadores se clasifican en activos o pasivos; los primeros proporcionan una señal

de salida en la forma de tensión o corriente; los segundos en la forma de variación de resistencia, capacidad o inductancia

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES I


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PROPIEDADES DE UN CAPTADOR:

• Margen de entrada: Es el campo de variación de la magnitud física cubierto por el captador; los limites suelen venirimpuestos por perdida de linealidad o por el riesgo de dañar al captador. Normalmente se especifica en unidades de la magnitud física a medir.

• Margen de salida: Viene dado por los valores eléctricos correspondientes al máximo y mínimo del margen de entrada. Si se trata de un captador pasivo, suele especificarse este margen en términos de tensión eléctrica para unas condiciones fijas de excitación. Existe una cierta normalización respecto a márgenes de salida con el objeto de que distintos captadores seanmanejables por un determinado tipo de entrada de la unidad de adquisición. (En las instrumentaciones de variosparámetros)

• Característica de transferencia: Relaciona el valor de salida con el de entrada; esta relación puede ser de proporcionalidad directa o dada por algún tipo función matemática. Por ejemplo, un captador de presión con margen de entrada de 0 a 10 psi y margen de salida de 0 a 5V, siendo su salida proporcional a la entrada en todo el margen, tiene por característica detransferencia una recta con pendiente 5V/10psi=0.5V/psi. Cuando la pendiente de la recta de transferencia, es constante, el captador se dice que es lineal, y la pendiente de dicha rrelación de transferencia debe especificarse mediante una función matemática, una tabla o una gráfica (a la que sedenomina, curva de Calibración del captador).

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• Linealidad: Se expresa con este término la mayor o menor proximidad de la curva de calibración del captador a la recta"optima" de transferencia. En realidad lo que los fabricantes llaman linealidad del captador suele ser una medida de la desviación de linealidad.

• Sensibilidad: Es la relación del cambio producido en salida correspondiente a un cambio determinado en la entrada, aunque

otras veces se define como la relación entre el final de escala en salida respecto al final de escala en entrada. Nótese que si el captador no es totalmente lineal, la sensibilidad de acuerdo con la primera definición puede variar de un punto a otro,mientras que la segunda definición da una "sensibilidad media".

Pa Pi

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• Resolución: Se define como el incremento más pequeño en la señal de entrada que provoca una variación apreciable ensalida. Puede expresarse como un porcentaje respecto al valor fin de escala de la variable de entrada, o bien en unidades de la variable de entrada.

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• Deriva: Dos tipos de cambios en la característica de transferencia reciben el nombre de deriva. Un cambio en la lectura del cero se denomina "deriva de cero" mientras que un cambio en la sensibilidad se denomina "deriva de sensibilidad"

La deriva de cero, introduce un cero constante en todo el margen de medida (E2=E1). La deriva de sensibilidad suponeun error función de la magnitud de la variable, pero constante en tanto por ciento (E2'/Pa2=E1'/Pa1). La combinación de las dos produce errores que no son constantes ni en valor absoluto ni en valor relativo. La deriva de cero puede compensarsehaciendo medidas diferenciales (respecto a una referencia con la misma deriva), la compensación de la deriva desensibilidad requeriría calibraciones periódicas de dos puntos.

• Error: Es la diferencia entre el valor real y el indicado en la variable de entrada. Los errores puede ser "random" (oaleatorios) y "sistemáticos". Los errores random limitan irremediablemente la precisión del captador; los errores sistemáticos pueden corregirse como hemos visto en el apartado anterior, o mediante calibraciones y no limitannecesariamente la precisión.

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• Precisión: La precisión de una medida depende de todos los errores presentes. La combinación lógica de errores requiere que los errores sistemáticos se sumen algebraicamente, mientras que los errores random se combinan estadísticamente.Nunca es razonable una suma algebraica de errores random pues la misma posibilidad tiene de superponerse que de anularse o compensarse. La práctica más común para el cálculo de la precisión es obtener la raíz cuadrada de suma de loscuadrados de dichos errores.

• Margen de frecuencia: Es aquel para el que la respuesta del captador es uniforma (o plana) y su salida depende

únicamente de la amplitud de la señal de entrada. En los captadores más frecuentemente utilizados, el margen de frecuencia varia entre continua (O.D.C.) y una frecuencia (de corte) superior, aunque hay otros que tienen una limitación inferior de frecuencia. Relacionados con el margen de frecuencias, están los distintos tiempos de respuesta, subida o retardo

• Tiempos de subida, retardo y respuesta: Tiempo de subida (ts) es el que tarda un captador, cuando se le somete a una

excitación de entrada en escalón, en alcanzar el 90% del valor final a partir del 10% de dicho valor. Tiempo de retardo (tr) es el transcurrido entre la aplicación en la entrada de un escalón, y la obtención en salida de un 50% del valor final. El tiempo de respuesta (trp) es menos utilizado, a veces sustituyendo al tiempo de retardo, tiene la misma definición que este, exceptuando que se mide hasta que la salida alcanza un 90% del valor final. También es de muy frecuente utilización el concepto "constante de tiempo" definido como el tiempo que se tarda en alcanzar el 63.2%=(1-1/2) del valor final.

• Temperatura y otros factores ambientales: La temperatura afecta las características de la mayoría de los captadores; el

margen de temperatura se define como aquel para el que son validas las especificaciones del fabricante. A veces se especifica también un margen de temperaturas más amplio, el no destructivo, sobrepasando el cual puede causarse daño permanente al captador. Otros factores que pueden influir en las características del captador, especialmente si este tiene partes mecánicas, son las vibraciones, aceleraciones y choques, para los cuales se especifican igualmente unos márgenes de funcionamiento correcto y otros no destructivos.

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Cuando el parámetro a medir no esta incluido en la instrumentación normal de avión, o bien el captador asociado a talparámetro, no da la precisión necesaria, se emplean captadores propios de la I.E.V. En caso contrario puede usarse elcaptador ya instalado mediante una toma de señal en paralelo, con las precauciones necesarias para que no se presenteninterferencias, ni exista peligro de daño para el captador o su indicador asociado. Los ensayos en vuelo de un nuevo avión, cubren un campo muy amplio de parámetros a medir, dado el alto numero de sistemas a ensayar (motor, hidráulico, anti-hielo, oxigeno, aire acondicionado, etc.) así como la existencia de ensayos muyespecializados (p.e. ruido exterior) donde se requieren captadores e instrumentación muy particulares. No es nuestro propósito hacer una enumeración exhaustiva, así pues nos limitaremos a los más comunes: • Para la medida de altura y velocidad, se emplean captadores de presión de alta precisión, conectados a la toma de

estática y pilot; para la temperatura total (empleada en el calculo de la velocidad verdadera) se utiliza una termoresistencia de platino, acoplada a una sonda apropiada para producir las condiciones de remanso del aire; para lamedida de los ángulos de incidencia y derrape, veletas acopladas a potenciómetros circulares de película de plástico,con teórica resolución infinita.

• Para las aceleraciones en centro de gravedad, se usan servoacelerómetros montados sobre soportes mecanizados con

alta precisión para definir los ejes avión; para los ángulos de posición del avión (asiento, balance y rumbo) se usangiroscopios o plataformas giroscópicas; para velocidades angulares, cajas girométricas. Actualmente, existenplataformas inerciales que proporcionan todas estas medidas junto con otras asociadas matemáticamente con ellas; se basan en acelerómetros, giróscopos y una compleja electrónica de calculo. La tendencia actual en este campo, es lasustitución de los elementos mecánicos de giróscopos y gimoteemos por los llamados de "tipo láser", carentes de partes móviles, con lo que aumenta la precisión y vida del equipo.

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• Para las medidas de posición, tanto de superficies de control (alerones, elevador, rudder, flaps, compensadores, etc.) asícomo mandos de vuelo (palanca, pedales, palanca de gases, etc.) así como de componentes del sistema hidráulico, seemplean potenciómetros de película de plástico, circulares o lineales, (a veces se usan "sincros o resolvers" en lugar de potenciómetros circulares) acoplados al eje móvil mediante un mecanismo de tipo biela-manivela, o engranaje cuando el anterior no es posible. Para la medida de esfuerzos sobre mandos y momentos de charnela, suelen emplearse extensímetros convenientemente situados en superficies de piezas de la cadena de transmisión de esfuerzos; para esfuerzos en mandos pueden también emplearse células de cargas acopladas a las barras transmisoras o tambiénpedales, palancas, etc. "dinamométricos" basados en extensímetros.

• Para la medida de cargas estructurales se emplean "strain-gages" o extensímetros pegados al punto de la estructura a

estudiar. Para ensayos de Flutter donde las frecuencias de las medidas a realizar son mayores que las normales, seemplean acelerómetros de tipo "strain-gage" o piezoeléctricos. Para medidas de vibraciones, con frecuencias aun mayores, se emplean casi exclusivamente acelerómetros piezoeléctricos.

• Para temperaturas de hasta unos 300ºC, se usan termoresistencias de platino acopladas a sondas particularmente

diseñadas para el medio donde se ha de realizar la medida. Por encima de los 300ºC (temperaturas de motor p.e) seusan termopares. Para la medida del gasto de combustible, flujo de líquido hidráulico, etc. se usan fluxómetros volumétricos de tipo turbina.

• Para la medida de presiones en los diferentes sistemas (hidráulico, motor, anti-hielo, etc.) se emplean captadores de

presión absolutos o diferenciales, de distintos tipos y rangos. Cuando el número de presiones a medir es muy alto,puede usarse un único captador acoplado a un multiplexor o conmutador mecánico conocido universalmente como "scanivalve".

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• Para la medida de trayectorias (trayectografía) pueden emplearse diferentes métodos: Plataformas inerciales, cine

teodolitos, transpondedores, radares de seguimiento, etc. o bien combinaciones entre ellos.

En la actualidad, tanto en aviones civiles como militares, se tiende a incorporar en la instrumentación estándar del avión,captadores de alta precisión (que proporcionen datos fiables a equipos tales como el computador de datos del aire, elsistema de navegación inercial, etc.) así como a la conexión de todos estos equipos mediante un único "bus", como es elcaso del "bus multiplexado 1553" en aviones militares. Con estos nuevos sistemas se reduce drásticamente el número decaptadores de la I.E.V., dada la posibilidad de conectar la unidad de adquisición de datos al bus por donde fluye esta información.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Los captadores constituyen el elemento de la cadena de medida que entra en contacto con el medio físico transformando lamagnitud a medir en otra, generalmente eléctrica, utilizable en una cadena de medida.

Es necesario un gran cuidado en la selección de estos componentes, no solo para poder realizar una medida fiable, sinotambién para que sean capaces de resistir, una vez instalados, el entorno físico, mecánico y eléctrico en que deban trabajarsin deterioro de sus cualidades de funcionamiento durante su vida útil.

Dado que en muchos casos el acondicionador de señal a utilizar está físicamente unido al captador, o la frontera entre ellosno es totalmente clara, hay ocasiones en que las características meteorológicas se refieren al sistema completo compuesto por el captador y el acondicionador de señal. Antes de seleccionar un captador para una aplicación determinada, será preciso plantearse cuestiones como el rango enque va a moverse Ia magnitud a medir, el lugar donde va a estar instalado, el ambiente mecánico y eléctrico que existirá asu alrededor, la vida de operación que se desea obtener etc. Este conjunto de requerimientos, Junto con los de precisión, repetitividad, etc. determinan las características metrológicas que debe tener el transductor a utilizar.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: La operación de un captador, en su medio de trabajo, vendrá caracterizada por una función de transducción: S=f (M) que expresa la relación entre la magnitud a medir, M, y señal de salida, S, obtenida del transductor.

En muchas ocasiones, en lugar de hablar de la función de transducción suele hacerse referencia a la función de calibración: M=F(S) que no es sino la inversa de la anterior, y que permite obtener la magnitud a medir, M en función de a salida del captador, S. La función de transducción puede consistir en una tabla de valores, una curva o una función matemática cualquiera. Esta función suele ser una expresión polinómica, pero en el caso mas general puede tener una forma más compleja,incluyendo derivadas con respecto al tiempo, integrales, funciones escalón etc., dependiendo del principio defuncionamiento del captador y del fenómeno físico utilizado para medir la magnitud considerada. Desgraciadamente, sobre la función de transducción, f, no solo influye la magnitud a medir, M, sino también otros aspectosadicionales procedentes de distintas fuentes, ajenas al fenómeno considerado y por lo tanto indeseables.

Es decir, el captador no responde solamente a la magnitud para la que ha sido diseñado, sino que su salida también se ve influenciada por otras fuentes.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Estas fuentes pueden estar en la propia construcción del transductor (tamaño, forma, material utilizado, proceso de f abricación, etc.) o en el medio de trabajo (presión, temperatura, vibraciones, tiempo, etc.) de modo que la funcióntransducción en la realidad, dependerá de la magnitud a medir, M, y de una serie de variables de influencia, V1, pudiendo expresarse entonces como S=f(M,V1,V2,......VN) Desarrollando en serie la expresión anterior, es posible escribir: S=f(M)+(δf/δV1)ΔV1+(δf/δV2) ΔV2+.......+(δf/δVn) ΔVn+(δ2f/δM δV1) ΔM ΔV1+

+(δ2f/δM δV2)ΔM ΔV2+.....+(δ2f/δM δVn) ΔM ΔVn+.....

En el desarrollo anterior, los términos con derivadas de primer orden, δf/δVi, producirán derivas de cero y los términos con derivadas de segundo orden, δ2f/(δMδVi), producirán variaciones en la sensibilidad, debidas a cada una de las variables de influencia Vi.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Con el fin de conseguir una medida fiable será necesario anular los efectos de las variables de influencia, o al menosacotarlos a valores conocidos. Para ello es posible utilizar varios caminos:

a. Eliminar la acción de las variables de influencia sobre el captador (es decir, hacer Vi=0), aislándolo adecuadamente de

ellas, como es el caso de un captador de presión en un ambiente de temperatura elevada y protegido de ella porrefrigeración, de un captador de temperatura aislado de su soporte por un elemento refractario, de un micr6fono montadoen un soporte antivibratorio, etc.

b. Reducir la sensibilidad del captador a las variable de influencia (es decir, tratar de hacer (δf/δVi = O) a través de

procesos constructivos adecuados. Ejemplo de ello son los extensímetros compensados en temperatura, la utilizaciónde materiales con bajos coeficientes de dilatación térmica en la construcción de células de carga, etc.

c. Utilizar captadores auxiliares que midan la magnitud de las variables de influencia y retener los términos

correspondientes del desarrollo anterior de la función de transducción a la hora de realizar el cálculo. Ejemplo de elloson los circuitos de compensación de unión fría de los termopares, los extensímetros con compensación de temperatura, etc.

En general, bien se trate de eliminar su efecto, o de tenerlo en cuenta mediante algún proceso de corrección, será precisosiempre realizar un análisis exhaustivo de todas las variables de influencia posibles en la instalación, y de su posible repercusión en los resultados a obtener.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: La calibración es el proceso por el cual se determina la función de transducción o la de calibración antes mencionadas.Este proceso consistirá en aplicar al captador valores conocidos de la magnitud a medir, M, y obtener la señal de salida, S, correspondiente a cada uno de ellos. La tabla de valores así obtenida puede emplearse directamente como función detransducción, o bien ser utilizada para ajustar una función analítica. El primer problema que se plantea al realizar una calibración es conocer la precisión del elemento tomado como referencia para determinar el valor real de la magnitud medida, M. En este sentido, un elemento de calibración puede definirse, idealmente, como un instrumento de medida, de calibración bien conocida, y que conserva ésta calibración sin verse influenciado por el uso, por variables de influencia ajenas a lamagnitud a medir o por el tiempo.

Los elementos de calibración se clasifican en primarios secundarios, terciarios, de utilización etc. en orden creciente de utilización y decreciente de precisión. La razón de este escalonamiento es que la exactitud de un elemento de calibración cualquiera se ve inexorablementedeteriorada con el uso. La practica habitual suele ser establecer una cadena de calibración para cada una de lasmagnitudes utilizadas, de modo que los elementos de uso frecuente son contrastados periódicamente frente a otros, soloutilizados para este fin, y estos a su vez son comparados cada cierto tiempo frente a un patrón superior.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: La calidad de ésta cadena, así, como la frecuencia de las calibraciones, vendrá determinada por la aplicación concreta aque esté dedicada. No tendrá las mismas características de precisión un elemento primario utilizado en la industria que uno utilizado en un laboratorio de investigación. Para los casos en que sea necesaria una gran precisión, existen en todos lospiases laboratorios oficiales, dedicados a la preparación y contraste de elementos de calibración contra patronesespecialmente cuidados y de gran estabilidad o contra fenómenos físicos de características muy conocidas.

Aunque en la práctica normal no es preciso, en la mayor parte de los casos, acudir a elementos de calibración o patronesprimarios, al realizar un proceso de calibraci6n, es preciso conocer lo más exactamente posible la precisión del elemento de comparación, que debe ser siempre el mismo, y que debe ser periódicamente contrastado contra otro más fiable. Según el proceso seguido durante la calibración es posible distinguir dos procedimientos:

a. Calibración absoluta: Cuando la magnitud a medir puede ser conocida con una precisión varios órdenes de magnitud

mayor a la sensibilidad del captador. Por ejemplo, la calibración de un captador de presión utilizando unmicroman6metro de columna de agua, la calibraci6n de un sensor de desplazamiento o de un acelerómetro utilizandointerferometría láser etc.

b. Calibración por comparación: Cuando se utiliza un transductor de referencia, del que se conoce su función de

calibración, cuidando especialmente la presencia de variables de influencia indeseables.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: El rango de un captador viene definido por los valores máximo y mínimo de la magnitud a medir en que es capaz de operar. Pueden definirse varios rangos, que en general no serán coincidentes, y que pueden ser definidos como sigue:

• Rango mecánico: Aquel en que el captador es capaz de operar sin que sufra un daño mecánico.

• Rango de trabajo: Aquel en que el captador no solo no sufre daño mecánico, sino que además tampoco se ven

modificadas sus características de respuesta, bien sea temporal o definitivamente.

• Rango dinámico: Aquel en que el captador es capaz de operar dentro de sus características de diseño (linealidad,sensibilidad, resolución, etc.).

• Rango de utilización: Aquel en el que variará la magnitud a medir durante la utilización de captador.

Como es lógico, conviene que el rango dinámico coincida lo más posible con el rango de utilización para aprovechar almáximo la salida del transductor. Cuando por algún transitorio, o por un funcionamiento incorrecto, la magnitud a medirllegue a valores más allá del rango dinámico, aun dentro del rango de trabajo, hay ocasiones en que, dependiendo del tipode captador será preciso esperar un tiempo antes de que el captador recupere sus características nominales y las medidasvuelvan a ser válidas, o bien realizar una nueva comprobación y calibración

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Al realizar la calibración del captador, se obtiene la función de calibración, ya mencionada, M=F(S), que permite obtener elvalor de la magnitud a medir en función de la salida del captador, dentro de los límites de operación de este. La derivada con respecto a la salida de ésta función

F'(S)= dM/ dS es la sensibilidad del captador, que se expresa como función de S, ya que puede variar a lo largo del rango de operación. La sensibilidad puede definirse entonces, como la variación obtenida en la señal de salida, para una variación unidad de lamagnitud a medir. Este parámetro no tiene nada que ver con la resolución, que es la mínima diferencia en la magnitud amedir que puede ser detectada de manera fiable por el captador, y que está afectada por otros factores como el ruido, laderiva, la histéresis, etc. El ruido en una cadena de medida, está constituido por cualquier perturbación aleatoria, ajena a la magnitud a medir, y que sea capaz de alterar la lectura. No debe confundirse el ruido con la influencia de otras variables sobre el captador, ya que el ruido, por definición, es unaperturbación aleatoria procedente en ocasiones del propio equipo eléctrico, de los componentes utilizados en la cadena de medida o de fenómenos producidos en el propio transductor (agitación térmica, etc.) Debido a que el ruido es un fenómeno aleatorio, su nivel de correlación con la señal de autocorrelación es cero, con lo queen muchos casos es posible, mediante procesos estadísticos adecuados, obtener información de una señal incluso enpresencia de ruidos de fondo, muy elevados. No obstante, se trata de un fenómeno indeseable, y se deben utilizar todos losmedios posibles (apantallamiento, tomas de tierra adecuadas, etc.) para que se mantenga dentro de niveles varios 6rdenes de magnitud por debajo de la mínima señal a analizar.

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Al realizar la calibración de un captador el procedimiento habitual suele ser el realizar varias series de medidas,ascendentes y descendentes, de la salida del captador en función de la magnitud física a medir. En cada serie, dependiendo de que ésta sea ascendente o descendente, la calibración puede seguir curvas diferentes. La histéresis es la diferencia entre estas dos curvas

La histéresis será tanto mayor cuanto mayor sea el rango sobre el que se realiza la calibración, de modo que para rangosde variación parciales ésta será menor. Esto suele representar una ventaja en operación normal, ya que no es habitual quela magnitud a medir se desplace continuamente entre los extremos máximo y mínimo de variación. De todos modos, al evaluar o definir la histéresis debe considerarse la variación dentro de todo el rango dinámico, para asegurar que el valor obtenido es el máximo que puede presentarse durante la utilización. La repetitividad se define como la, capacidad de un captador para reproducir el mismo valor a la salida, al aplicarle a laentrada la misma magnitud, en la misma dirección y en ciclos sucesivos (fig.:2.1). Al utilizar un captador, siempre es interesante disponer de una señal de salida que sea función lineal de la magnitud amedir. La linealidad da una idea de la bondad del transductor en este sentido, y se define como la máxima desviación de lacurva de calibración respecto a una línea recta. Esta línea recta puede ser la de calibración teórica, o más generalmente larecta de mejor ajuste de los valores de calibración (fig.:2.51).

En aquellos casos en que la salida del transductor sea intrínsecamente no lineal puede definirse un parámetro deconformancia, como la máxima desviación respecto a una curva no lineal especificada (parábola, exponencial etc.).

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR:

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Cuando se trata de medir magnitudes rápidamente variables, es necesario tener en cuenta la capacidad del transductorpara seguir estas variaciones. La respuesta dinámica da una idea del rango de frecuencias de variación de la magnitud a medir, que el captador es capaz de reproducir en la señal de salida. Un captador en el que se produzcan variaciones de la señal a medir, con componentes a frecuencias superiores a lastolerables por su respuesta dinámica producirá un filtrado de la magnitud a medir, análogo al que aparecería al pasar laseñal de salida por un filtro pasobajo. La respuesta dinámica no solo plantea problemas a frecuencias elevadas, pues existen captadores en los que éstalimitación se produce a frecuencias bajas, como es el caso de los captadores de presi6n o los acelerómetros piezoeléctricos, en los que la capacidad para registrar valores estacionarios o lentamente variables es muy pobre, siendopreciso en estos casos considerar el margen de utilización a frecuencias bajas.

Las características de respuesta en frecuencia vendrán determinadas por la forma de la ecuación de transducción, cuandoen ésta se hayan considerado los efectos, del tiempo y suelen definirse a través de las curvas de respuesta en amplitud y fase en función de la frecuencia

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: Cuando se trata de medir magnitudes rápidamente variables, es necesario tener en cuenta la capacidad del transductorpara seguir estas variaciones. La respuesta dinámica da una idea del rango de frecuencias de variación de la magnitud a medir, que el captador es capaz de reproducir en la señal de salida. Un captador en el que se produzcan variaciones de la señal a medir, con componentes a frecuencias superiores a lastolerables por su respuesta dinámica producirá un filtrado de la magnitud a medir, análogo al que aparecería al pasar laseñal de salida por un filtro pasobajo. La respuesta dinámica no solo plantea problemas a frecuencias elevadas, pues existen captadores en los que éstalimitación se produce a frecuencias bajas, como es el caso de los captadores de presi6n o los acelerómetros piezoeléctricos, en los que la capacidad para registrar valores estacionarios o lentamente variables es muy pobre, siendopreciso en estos casos considerar el margen de utilización a frecuencias bajas.

Las características de respuesta en frecuencia vendrán determinadas por la forma de la ecuación de transducción, cuandoen ésta se hayan considerado los efectos, del tiempo y suelen definirse a través de las curvas de respuesta en amplitud y fase en función de la frecuencia

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Curva de respuesta en fase

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Curva de respuesta en amplitud

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PROPIEDADES METROLOGICAS DE UN CAPTADOR: En algunas ocasiones, no se incluyen en la descripción de los captadores estas curvas de respuesta, sino solo el rango defrecuencias en el que la respuesta varía dentro de un determinado tanto por ciento respecto al nominal. En otros casos,ésta característica está expresada a través de la capacidad de respuesta a un impulso escalón, 0 tiempo de respuesta

En estos casos, ésta característica viene definida por el tiempo necesario para que la salida alcance un determinado tantopor ciento de la diferencia entre los valores inicial y final de la magnitud a medir. En el caso de que la ecuación de transducción no sea lineal y se hable de tiempos de respuesta, es necesario tener encuenta además el amortiguamiento del sistema, que caso de ser inferior al crítico producirá un fenómeno oscilatorioalrededor del valor final antes de alcanzar una salida estabilizada

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Respuesta a un impulso escalón de un transductor no lineal

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ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL: Son las operaciones que se realizan en la señal de un transductor, con excepción del multiplexado, desde el transductor elcodificador. La forma más común de acondicionamiento de señal es de amplificación lineal. Esta es necesaria como ajuste de nivel para llevar a todas las señales a un rango común y poder utilizar un único codificador. Además de la amplificación, el filtrado paralimitar el ancho de banda de la señal y eliminar errores en el muestreo, es decir, el filtrado anti-aliasing. El acondicionamiento de señal suele dividirse en categorías según las características de las señales a tratar. Estas puedenser:

• Bajo o alto nivel • Unipolares o diferencial • Pre o postmultiplexado

Las señales de alto nivel típicamente varían en un rango de 0-5V y son clásicas de transductores con algún equipo comoservoacelerómetros etc. Las señales de bajo nivel son típicas de las salidas de strain-gage o termopares. Estas señales varían típicamente entre 10-50mV. Estas definiciones son puramente arbitrarias, sin embargo las salidas de los transductores se distribuyen en estos dos grupos y transductores con salidas por ejemplo de 1 a 3 voltios pueden ser modificadas para dar 5 voltios, mientras questrain-gages, etc. están enteramente limitadas a decenas de milivoltios.

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ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL: Un segundo criterio clasifica las señales como unipolares o diferenciales. La mayoría de las señales de bajo nivel provienende un puente de Wheastone de strain-gages, de termopares, etc. y son casi siempre diferenciales mientras que las señales de alto nivel son a menudo unipolares. La última clasificación depende de si los acondicionadores están antes o después de los multiplexores. El acondicionamiento pre-multiplexado permite confeccionar los acondicionadores a medida de cada canal y evita tener que multiplexar señales de bajo nivel, mientras que el post-multiplexado permite reducir la cantidad de hardware aunque serequieran condiciones mucho más duras para los multiplexores y todos los canales reciben el mismo acondicionamiento. También los requerimientos del amplificador son mucho más exigentes para aceptar el PAM de amplio ancho de banda desalida de los multiplexores más que el ancho de banda bajo de los transductores. Estas consideraciones junto con losavances en circuitos integrados han hecho que sea el pre-multiplexado el sistema que hoy en día más se utiliza. También se utiliza una combinación de ambos, multiplexando por grupos de señales análogas y amplificando para despuésvolver a multiplexar por grupos. Además de la amplificación (o atenuación), cada señal debe ser filtrada para limitar el ancho de banda. La operación de filtrado debe ser anterior al multiplexado. Se requieren filtros con respuesta de amplitud plana y caída rápida.

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ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL: Los parámetros que afectan a cualquier acondicionamiento de señal son: • Alta impedancia de entrada, para evitar errores por cargar el transductor. • Precisión de la ganancia y estabilidad. • Baja generación de ruido con el acondicionador. • Impedir crosstalk Además si la señal de entrada es diferencial se requiere del acondicionador que proporcione rechazo al modo común.

La necesidad de los tres primeros requerimientos es obvia y las técnicas empleadas tanto para señales de bajo nivel comode alto son básicamente las mismas. Por supuesto la cantidad de ganancia es bien distinta. Con transistores de efectocampo a la entrada de los amplificadores se obtienen buenas características de ruido e impedancia de entrada. Los requerimientos de alta impedancia de entrada, rechazo al modo común y evitar el crosstalk son a menudo conflictos de primera importancia. Crosstalk es el error producido en un canal debido a señales en otros canales. Con anterioridad al multiplexado, estácausado por el acoplamiento capacitivo e inductivo entre los canales que llevan las señales. Se minimiza con canalesapantallados y una disposición cuidadosa, especialmente en el multiplexor. El crosstalk después del multiplexado se debe alancho de banda finito de la parte del sistema que va del multiplexor al codificador.

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ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL: El rechazo al modo común es un requerimiento únicamente para señales diferenciales. Los voltajes en modo comúnprovienen de dos fuentes principales:

• La primera es la generación de la señal. Por ejemplo en señales que provienen de un puente de Wheastone, la señal

diferencial puede ser de milivoltios, mientras un voltaje del orden de la mitad de la excitación esta presente en cadahilo.

• La segunda fuente son los ruidos eléctricos capturados por los hilos y las diferencias de potencial entre las tierras de

varios puentes del sistema. Para minimizar la segunda fuente conviene seguir una serie de normas como:

• Proporcionar un único punto de tierra para todo el avión. • Los cables de alimentación se deben llevar separadamente desde la fuente de alimentación a cada subsistema para

impedir que la alimentación de uno module a la del otro.

• La tierra de alimentación y la de señal deben estar eléctricamente aisladas en cada subsistema. Esto elimina los errorescausados por asientos de alimentación y señal que circulan por un conductor común.

• Cualquier señal de bajo nivel que ha sido llevada a tierra exteriormente al acondicionador no debe llevarse interiormente

en el acondicionador (dado que se produciría un error debido a la diferencia de potencial entre las dos tierras).

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXIX


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXX

CAPTADORES:- PITOT- VELETAS- MAGNETOMETRO- IMU- TERMOPARES- TERMORRESISTENCIAS- POTENCIOMETROS- SENSOR DE RPM- MEDIDOR DE FLUJO DE COMBUSTIBLE


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXIII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXIV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXVI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXVII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXVIII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOCAPTADORES XXXIX


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Cadena de Demanda

Unidad de conmutación

Act. Al. Izq.

Act. Al. Dcho.

Act. El. Izq.

Act. El. Dcho.

Act. Motor.

Cadena de Medida

ADS

Magnetómetro

IMU

GPS

Radiocontrol

RadioModem

Telecomando PCM

Telemedida

Comunicaciones Serie

Asíncronas

Síncronas

Carga de pago

Ordenadores embarcados

MEC

MTT

Adquisición analógica

Adquisición digital

Puerto serie

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOARQUITECTURA EMBARCADA


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• CORRIENTE DE TELEMEDIDA: o BANDA S (2.3 A 2.4 GHZ) o DATOS:

PCM STANDARD IRIG 106 APROXIMADAMENTE 100 KBPS APROXIMADAMENTE 300 PARAMETROS REGISTRO DE ESTADO SOLIDO DE DATOS HASTA 5.7 HORAS

o REGISTRO DE VIDEO Y DATOS MAS DE 5 HORAS o VIDEO:

DOS IMÁGENES MULTIPLEXADAS EN EL TIEMPO IMAGEN DIGITALIZADA MEZCLA DE VIDEO Y DATOS CODIGO CORRECTOR TOTALMENTE CONFIGURABLE

o POTENCIA Y ANTENAS: 20 WATIOS RF 2 TRANSMISORES Y 2 ANTENAS (POSIBLE FUNCIONAMIENTO SIMULATANEO DE LOS

DOS TX CON LAS 2 ANTENAS), RECEPCIÓN ANTENA OMNI O COSEC CUADRADO DE SEGUIMIENTO AUTOMATICO EN AZIMUTH DEPENDIENDO DEL ALCANCE DESEADO PERO SIEMPRE L.O.S. CRITERIOS DE DIVERSIDAD

o ALCANCE NOMINAL DEPENDIENDO DE NIVEL DE VUELO MAS DE 100 NM EN LARGO ALCANCE Y 10 NM EN CORTO ALCANCE

o MODOS DE FUNCIONAMIENTO (TIEMPO REAL, DIFERIDO Y SILENCIO RADIO)

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA I


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RS232 PCM 100 KBPS CLK G`PS CLK PCM 100 KBPS SEÑALES UMBILICAL 100 KBPS VIDEO 1 PCM RF BANDA S VIDEO 2 SISTEMA EMBARCADO

DAS

CARGA UTIL VIDEO COMPRESOR

REGISTRADOR

TRANSMISOR

TRANSMISOR

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA II


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA III


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA IV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA V


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA VI

La corriente PCM generada en el DAS tendrá las siguientes especificaciones: - 24 bits de sincronismo (valor FAF320 en hexadecimal) - 8 ciclos cortos/ciclo largo

- SFID, situado en la posición 16 del ciclo corto (Primera y segunda palabras, 00 y 01, palabras de sincronismo)

- 64 palabras/ciclo corto - 12 bits/palabra sin paridad - 8192 palabras/segundo - 98304 bits/segundo - Salida de test BiΦ-L

- Salida para SSR NRZ-L - Salida para VCU NRZ-L


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DAS


REGISTRADOR

TRANSMISOR

TRANSMISOR

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA VII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA VIII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA IX


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA X


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DAS


REGISTRADOR

TRANSMISOR

TRANSMISOR

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEDIDA XI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA XV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA XVI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA XVII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELEMEDIDA XVIII


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• CORRIENTE DE TELECOMANDO: o BANDA UHF (390 A 450 MHZ) o DATOS:

PCM STANDARD IRIG 106 APROXIMADAMENTE 21 KBPS FILTRADO PREMODULACIÓN TRANSMISION TRUE FM

o FAILSAFE: TONOS DE RECUPERACIÓN DE EMERGENCIA 14 Y 15 IRIG 313 (35.9 Y 40.49

KHZ) o POTENCIA Y ANTENAS:

20 WATIOS, ANTENA DE EMISIÓN OMNI O YAGI RECEPCIÓN ANTENAS FUSELADAS

o ALCANCE NOMINAL DEPENDIENDO DE NIVEL DE VUELO MAS DE 100 NM EN LARGO ALCANCE Y 20 NM EN CORTO ALCANCE

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELECOMANDO I


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELECOMANDO II


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELECOMANDO III


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELECOMANDO IV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOTELECOMANDO V


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 I


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 II


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 III


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 IV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 V


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 VI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 VIII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOC212 IX


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PCM RF BANDA S DATOS CLK VIDEO 1 VIDEO 2 DATOS CLK INFORMACION ADICIONAL DATOS PCM TC TC

TONO 14 TONO 15 TONO 14 TONO 15

SISTEMA DE TIERRA

RECEPTOR BANDA S

SINCRONIZADOR DE BIT

EXPANSOR DE VIDEO

DECONMUTADOR 550

TONOS IRIG

TONOS IRIG

FILTRO

TX UHF

TX UHF

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO I


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO II


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PCM RF BANDA S DATOS CLK VIDEO 1 VIDEO 2 DATOS CLK INFORMACION ADICIONAL DATOS PCM TC TC

TONO 14 TONO 15 TONO 14 TONO 15

SISTEMA DE TIERRA

RECEPTOR BANDA S

SINCRONIZADOR DE BIT

EXPANSOR DE VIDEO

DECONMUTADOR 550

TONOS IRIG

TONOS IRIG

FILTRO

TX UHF

TX UHF

INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO III


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO IV


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO V


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO VI


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO VII


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INSTRUMENTACION PARA ENSAYOS EN VUELOESTACION DE SEGUIMIENTO VIII


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MINISTERIODE DEFENSA

Secretaría de Estado de Defensa

Instituto Nacional deTécnica Aeroespacial



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SISTEMA DE TELEMEDIDA Y TELECOMANDO


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