CLASES DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

 Los instrumentos de medición se pueden clasificar según su función y según su variable de medida.

Clasificación según su función

Instrumentos ciegos: Son aquellos instrumentos que no tienen un indicador para mostrar el resultado de la medida como lo son los termostatos y el LM35

Imagen tomada de: https://ferretronica.com/products/lm35-sensor-de-temperatura-original-to-92

Instrumentos indicadores: Son instrumentos de medición capaces de mostrar el resultado de su medida de manera digital o análoga. En el caso de ser instrumentos análogos muestran el resultado por medio de un índice y una escala graduada para ser leído.

Imagen tomada de: http://instruelec.blogspot.com/p/clases-de-instrumentos.html

Instrumentos registradores: Son aquellos capaces de representar el mesurando por medio de un trazo continuo.

Imagen tomada de: https://es.omega.com/pptst/OM-DAQXL.html

Elemento primario: Son aquellos que están en contacto con la variable que se desea medir, estos absorben energía del medio. También son conocidos como sensores.

Transmisor: Los transmisores se encargan de capturar la variable del proceso a través del sensor y la transmiten a la distancia en el sistema de control.

Convertidor: Son dispositivos que reciben una señal de un instrumento de medición y la envían en forma de una señal de salida estándar. Un ejemplo de estos es el puente de Wheatstone

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

Controlador: Estos dispositivos comparan la variable controlada con el valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo a la desviación

Imagen tomada de: https://nvsautomatizacion.com/producto/n960-controlador-de-temperatura/

Elemento final de control: En un sistema de medida los elementos finales de control o también conocidos como actuadores son aquellos que intervienen en el proceso para mantener la variable en el punto que se desea.

Clasificación según la variable del proceso

Esta clasificación hace referencia específicamente al tipo de señales que va a medir el instrumento.

Un ejemplo de esta clasificación es:

Instrumentos de caudal

Instrumentos de nivel

Instrumentos de temperatura

Instrumentos de humedad

ERRORES

Es la diferencia entre el valor leído por el instrumento de medida y el valor esperado. Este error se busca que sea el mínimo posible y existen distintas maneras de presentarlo estas corresponden al error absoluto y al error relativo

Existen diferentes tipos de error; estos son los errores estáticos y dinámicos.

Los errores estáticos se originan gracias a las limitaciones físicas que pueda tener el instrumento de medida o por los fenómenos físicos que gobiernan su comportamiento. Estos errores se producen cuando se trabajan con señales constantes en el tiempo.

Por otra parte, los errores dinámicos se originan debido a que el instrumento de medida no es lo suficientemente rápido para seguir los cambios de la variable que se está midiendo. Estos errores se producen cuando se trabajan con señales variables en el tiempo.

A su vez, estos errores se pueden clasificar en errores graves, sistemáticos, ambientales y aleatorios.

Los errores graves son aquellos de origen humano como lo es una mala lectura del instrumento, un ajuste incorrecto.

Los errores sistemáticos corresponden a defectos del instrumento de medición. Estos son comunes en instrumentos de medición mecánicos y se pueden evitar calibrando los dispositivos y aplicando factores de corrección.  Estos se dividen en errores ambientales y aleatorios.

Los errores ambientales son aquellos generados por condiciones externas como lo son los cambios de temperatura, humedad y los campos electromagnéticos que puedan influir.

Finalmente, los errores aleatorios son aquellos que tienen causas desconocidas.

 

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN

Los instrumentos de medición son herramientas que permiten la visualización de fenómenos físicos y permiten cuantificarlos. No obstante, estos dispositivos no corresponden a un instrumento ideal ya que las medidas que arrojan como resultado están sujetas a cierto nivel de error por limitaciones propias del dispositivo. Por tanto, es importante conocer las ciertas características de los instrumentos para que las mediciones se vean afectadas en el menor grado posible. 

Las características dinámicas de un instrumento de medición hacen referencia a los posibles comportamientos que dichos instrumentos puedan tener cuando la variable que se desea medir cambia en función al tiempo. Las entradas pueden ser señales transitorias, periódicas o aleatorias. La respuesta dinámica de un sensor cuando la señal de entrada corresponde a alguna de las anteriormente mencionadas está descrita en la función de transferencia del sistema.

Función de transferencia

La función de transferencia es una función matemática lineal que emplea la transformada de Laplace para representar el comportamiento dinámico y estacionario de un sistema.

Imagen tomada de: https://electrotec.pe/blog/diagramasbloques

Matemáticamente la función de transferencia corresponde a una división entre polinomios con la variable S. La función de transferencia es una relación propia del sistema y esta dependerá del orden del mismo.

Sistemas de medida

Los sistemas de medida se pueden clasificar dependiendo del orden de la ecuación diferencial que este tenga asociada.

Sistema de orden cero

Un sistema de orden cero es aquel en donde la ecuación diferencial asociada tiene derivadas de orden cero, es decir, no tiene derivas. Este tipo de sistemas no presentan retardos en su respuesta temporal o de frecuencia.

Donde k corresponde a la sensibilidad del sistema 

La siguiente imagen corresponde al tipo de salidas que estos sistemas de orden cero tienen:

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_escal%C3%B3n_de_Heaviside

 

Un ejemplo de estos sistemas son los elementos resistivos puros ya que estos no almacenan energía          

     

                                                Imagen tomada de:https://es.omega.com/prodinfo/galgas-extensiometricas.html

 

Sistema de primer orden

Son aquellos sistemas que contienen un componente que almacene energía y otro que la disipe. Estos sistemas tienen asociados una ecuación diferencial de primer orden. También tienen parámetros como la constante de tiempo τ; luego de 5 veces τ corresponde al tiempo característico que el sistema demora en estabilizarse o en llegar a estado estacionario.

En donde 1/a0 corresponde a la sensibilidad estática del sistema y a1/a0 a la constante de tiempo y su respuesta corresponde a la siguiente grafica en donde la función naranja es la entrada y la azul la salida.

 

Imagen tomada de: https://controlautomaticoeducacion.com/control-realimentado/sistemas-dinamicos-de-primer-orden/.

Sistemas de segundo orden

En este tipo de sistemas la respuesta al escalón no tiene una única forma ya que en estos sistemas influye otros parámetros como la inercia y la amortiguación presente del sistema. Existen tres tipos distintos de respuesta como lo son:

Sistemas sobreamortiguados

Sistemas subamortiguados

Sistemas criticamente amortiguados

La relación entre la entrada X(t) y la salida Y(t) es una ecuación diferencial de segundo orden

Las posibles respuestas del sistema se muestran a continuación

Imagen tomada de: https://analisisdecircuitos1.wordpress.com/parte-2-estado-transitorio-cap-61-a-70/capitulo-61-circuito-rlc-en-paralelo-sin-fuentes-criticamente-amortiguado/

CONCEPTOS

 En el ambito de la imstrumentación electrónica es importante utilizar los conceptos adecuados a la hora de hablar sobre ciertas caracteristicas de los instrumentos de medida. Por eso es importante conocer a lo que hace referencia cada uno de estos conceptos. Algunos de estos conceptos son:

Repetibilidad: Corresponde a la concordancia entre los resultados de varias medidas sobre la misma variable bajo las mismas condiciones.

Reproducibilidad: Corresponde a la concordancia entre los resultados de varias medidas sobre la misma variable bajo distintas condiciones.

Calibración: Se entiende como la comparación de un valor de una medida con un instrumento patrón para luego establecer con mayor exactitud posible las medidas de un instrumento

Gama: Se define como la diferencia entre los límites de los posibles valores de entrada del instrumento

Escala: Define distintas gamas en el instrumento de medición.

Eficiencia: Corresponde a la capacidad del instrumento de no incidir en el circuito que se desea medir.

 

CARACTERISTICAS ESTÁTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

 

Los instrumentos de medición son capaces de cuantizar y permitir observar los fenómenos físicos no obstante estos instrumentos cuentan con ciertas limitantes que es de vital importancia tener en cuenta a la hora de registrar medidas.

Curva de calibración

Corresponde a la relación que existe entre la entrada y salida de un instrumento de medición

Imagen tomada de: https://curiosoando.com/que-es-una-curva-de-calibracion

Margen de medida

Es el conjunto de valores comprendidos entre el limite superior e inferior en donde es capaz de medir el instrumento.

Imagen tomada de: https://instrumentacionelectronicai.wordpress.com/tag/rango/

Alcance (Span)

Es la diferencia entre los límites de medida respecto al eje X.

Salida a fondo de escala (FSO)

Se entiende como la diferencia entre los límites de medida respecto al eje Y.

No linealidad

Corresponde a la máxima desviación de la curva de calibración con respecto a la curva con la que se ha aproximado. 

Imagen tomada de: https://instrumentacionelectronicai.wordpress.com/tag/linealidad/

Zona muerta

Es el campo de valores que, aunque se tenga un valor de entrada, no existirá un valor de salida (característica muy común en potenciómetros)

Imagen tomada de: http://electricidadipl.blogspot.com/2014/06/caracteristicas-generales-de-los.html

Histéresis

Ocurre cuando un mismo dato de entrada tiene como respuesta dos valores distintos de salida. 

Imagen tomada de: http://instruelectronica1.blogspot.com/2014/02/caracteristicas-de-los-instrumentos-de.html

Deriva

Corresponde a la variación de una medida con respecto a un parámetro externo.

Resolución

Es el incremento mínimo en la variable de entrada que genera un cambio medible a la salida.

 

SISTEMA DE MEDIDA

Un sistema de medida es un conjunto de dispositivos con la finalidad de recolectar información sobre un proceso físico y poder presentarla de manera adecuada a un observador.

Imagen tomada de: https://instrumentacionelectronicai.wordpress.com/tag/instrumentacion/

 

Como se muestra en la imagen, la adquisición de datos es la primera etapa de un sistema de medida en donde por medio de un sensor se captura la información de la magnitud física que se desea monitorear convirtiendo esta información en una señal eléctrica; ya que el sensor puede arrojar como salida una señal con ciertas características que la hacen poco adecuadas para su procesamiento es importante acondicionar la señal para que esta sea más fácil de trabajar y presente la información de mejor manera. El acondicionamiento de la señal se hace por medio de:

Amplificación: Consiste en aumentar la amplitud de una señal. Se realiza cuando el sensor arroja una señal de niveles muy bajos.

Filtrado: Atenúa de manera selectiva cierta banda de frecuencias que se consideran como ruido de la señal.

Linealización: Debido a que la respuesta del sensor puede no corresponder a una función lineal es importante linealizarla para su correcto análisis.

Conversión: Se utiliza cuando se quiere trabajar con una variación eléctrica distinta a la que tiene como salida el sensor. 

Imagen tomada de: Presentación de diapositivas, Instrumentación electrónica 1,Msc. Ing. Esp. Javier Eduardo Baquero 

Existen distintas arquitecturas en los sistemas de medida, estas son la arquitectura centralizada y la arquitectura distribuida, acontinuación se muestra un gráfico comparativo entre estas. 

Arquitectura centralizada: 

Imagen tomada de: Presentación de diapositivas, Instrumentación electrónica 1,Msc. Ing. Esp. Javier Eduardo Baquero 

Arquitectura distribuida: 

Imagen tomada de: Presentación de diapositivas, Instrumentación electrónica 1,Msc. Ing. Esp. Javier Eduardo Baquero 

¿QUÉ ES MEDIR?

La medición es un proceso que consiste en comparar una propiedad o característica de un objeto con un sistema de referencia previamente definido, con el fin de determinar cuántas unidades contiene dicha característica. En otras palabras, la medición es un método utilizado para cuantificar la magnitud de algo.

INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA

 

La instrumentación electrónica se entiende como el uso de técnicas, procesos, equipos y/o herramientas para mejorar la capacidad del humano de observación y medición en diversos campos. La instrumentación logra este objetivo convirtiendo la magnitud física que se desea medir en alguna magnitud eléctrica para luego pasar esta información a un sistema de control.