Introducción a los Sistemas de Medida Instrumentación Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas

Sistemas de medidas Sistema de medida: Combinación de dos o más elementos, subconjuntos y partes necesarias para realizar una o varias funciones de medida.

Sistemas de medidas Función de medida: Asignación de una medida objetiva y empírica a una cualidad o propiedad de un objeto o evento, de forma que la describa.

Sistemas de medidas Objetivos: Vigilancia o seguimiento de procesos, el control de un proceso o como utilidad en la experimentación.

Esquema general

Transductores Transductor es todo dispositivo que convierte una señal física en otra equivalente pero de distinta naturaleza. El proceso de transducción siempre consume energía del sistema que se mide  No debe afectarle. Tipos de señales mecánicas térmicas magnéticas eléctricas ópticas moleculares (químicas)

Ventajas del uso de señales eléctricas La estructura eléctrica de la materia. Se puede amplificar fácilmente la señal lo que implica poca extracci´on de energ´ıa del sistema. Gran variedad de recursos para tratar la señal. Gran variedad de recursos para presentar la señal. Mayor versatilidad de transmisión de la señales eléctricas, aunque hay casos en que el entorno no las permite (pocas).

Sensor se utiliza en el sentido de transductor de entrada Sensores y actuadores Sensor: Dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal transductible que es función de la variable medida. Sensor se utiliza en el sentido de transductor de entrada Actuador: Transductor de salida.

Acondicionamiento y presentación La señal eléctrica que proviene de los sensores normalmente necesita de un proceso de acondicionamiento para poder ser tratada o presentada. Ejemplo: etapa de amplificación. La presentación de los resultados puede ser analógica, como un sonido, óptica o táctil, o bien numérica para la lectura o almacenamiento en dispositivos digitales.

Interfases y dominios de datos Funciones de transducción, acondicionamiento, procesamiento y presentación asociadas a elementos distintos se necesitan interfaces Interfaz: conjunto de elementos que modifican las señales sin cambiar su naturaleza, permaneciendo siempre en el dominio eléctrico. Dominio: nombre de una magnitud mediante la que se representa o transmite la información.

Tipos de dominios Eléctricos. Analógico. Amplitud: Tensi´on, intensidad, carga. Relación temporal: Frecuencia, fase, anchura de pulso. Digital: Valor numérico codificado. No eléctrico. Físico. Químico.

Clasificaciones Aporte de energía necesario para producir la señal de salida Moduladores o activos. Necesitan un aporte de energía que es modulada en función de la señal de entrada

Clasificaciones Generadores o pasivos. La salida se produce haciendo uso solamente de la energía que se obtiene de la señal a medir.

Clasificaciones Naturaleza de la señal de salida Analógicos. Producen una salida que varía de forma contínua y la información normalmente viene dada por la amplitud de la señal, aunque en algunos casos la información se codifica en forma de frecuencia. Digitales. La información viene codificada en algún código binario por lo que no es necesario realizar el proceso de conversi´on A/D para el procesamiento.

Clasificaciones Modo de operación De deflexión. La magnitud física a medir produce algún efecto similar en el sensor pero opuesto y que puede ser medido de forma fácil. De comparación. Se intenta es eliminar la deflexión que produce la magnitud medida mediante un efecto bien conocido.

Clasificaciones En función del parámetro variable Resistivos. Capacitivos. Inductivos. Generadores de tensión, corriente o carga.

Clasificaciones En función de la magnitud medida Temperatura. Presión. Caudal. Humedad. Posición. Velocidad. Aceleración. Fuerza. Par, etc.

Características Estáticas Curva de Calibración Relación entre la entrada al sensor y su salida en régimen estático Para definir correctamente la curva es necesario definir: Forma Límites: Rango: Conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior Fondo de escala: Diferencia entre los límites superior e inferior de medida Salida a fondo de escala: Diferencia entre las salidas para los extremos del rango

Características Estáticas Rango: 3ºC-55ºC Fondo de escala: 52 Salida a fondo de escala: 26.73 K

Características Estáticas Exactitud Capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al valor real, exacto o verdadero de la magnitud medida. Se mide obteniendo curva de calibración frente a patrones de entrada. La diferencia entre el valor patrón y el que da como salida el sensor se denomina error.

Tipos de error Error absoluto. Porcentaje respecto al máximo valor que puede medir el sensor (fondo de escala). Porcentaje frente a la diferencia entre el valor máximo y m´ınimo (escala de medida). Error relativo, que es la relación entre el error absoluto y el valor verdadero.

Fidelidad Fidelidad Capacidad de un sensor de dar la misma medida al medir varias veces la misma magnitud en las mismas condiciones. Es condición necesaria pero no suficiente para la exactitud.

Sensibilidad Sensibilidad Sensibilidad o factor de escala es la pendiente de la curva de calibración. Sensibilidad S(xa) de un sensor en el punto xa siendo y(x) la ecuación que relaciona la entrada con la salida del sensor.

Linealidad No Linealidad Medida del ajuste de la curva de calibración y una línea recta. h1

h1

Errores Sistemáticos Error constante en signo y magnitud al realizar varias medidas de una magnitud de un valor conocido y en las mismas condiciones. Error que varía según una ley definida cuando se produce un cambio en las condiciones.

Errores Aleatorios Siguen una distribución normal de media cero. Se cancelan cuando se realicen varias lecturas al obtener la media de las mismas.

Características Dinámicas Respuesta del sensor mientras se produce un cambio en la magnitud de interés. Normalmente se estudia la respuesta de los sensores con respecto a un conjunto estándar de posibles cambios en la entrada: Escalón Rampa Senoidal

La clasificación de los sensores de acuerdo a las características dinámicas: Sensores de orden cero. Sensores de primer orden. Sensores de segundo orden.

Sensores de orden cero Tanto el error dinámico como el retraso en la salida con respecto a los tres cambios posibles es nulo.

Sensores de orden uno Existe un retraso en la salida con respecto a la entrada en escalón y rampa. Para las entradas senoidales el retraso es función de la frecuencia El error dinámico es nulo para escalón y no nulo para rampa y senoidal.

Sensores de orden dos Respuesta más compleja.

Telemetría Puede ser necesario enviar las señales procedentes de los sensores a una localización alejada donde se procesa o presenta, en este caso se tiene un sistema de telemetría. Soporte: Distancias cortas: sistemas hidráulicos, neumáticos o eléctricos. Distancia medias-altas: transmisión de señales por cable. Distancias muchísimo mayores/inaccesibilidad: transmisión vía radio.

Telemetría

Acondicionamiento En distancias cortas puede utilizarse la misma señal que proporciona el sensor para la transmisión. Para mayor alcance es necesaria una etapa de codificación (datos digitales) o modulación (señal analógica) en el emisor y de decodifica-ción/demodulaci´on el receptor. Vía radio es necesario realizar una modulación en una señal portadora y la demodulación en el lado de la recepción.

Transmisión por voltaje Convertir la información medida por los sensores a un voltaje proporcional al valor de la medida, conectar dos cables y medir en el receptor. Distancia: depende de la resistencia de la línea. Interferencias: voltajes parásitos (campos electromagnéticos)

Transmisión por corriente Convierte la magnitud medida a una corriente proporcional (4-20 mA) a dicha magnitud. En el receptor se hace circular esta corriente por una resistencia de un valor conocido y se mide la caída de tensión que se produce. Interferencias: No afectan las tensiones inducidas. Coste menor.

Transmisión por señales periódicas Frecuencia proporcional al valor de la magnitud. Mayor inmunidad al ruido. Precisa circuitos de conversión.