Exactitud
Es la conformidad de un valor indicado con respecto a un valor real. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe asumirse como “exactitud de referencia”. Esta describe la desviación con respecto a un valor verdadero cuando el instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia, e incluye la combinación de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Alcance o Rango
El alcance de entrada de un elemento se especifica con los valores mínimo y máximo de la entrada (I) es decirle valor de IMIN a IMAX. El alcance de salida se especifica con los valores mínimo y máximo de la salida (O) es decir los valores OMIN a OMAX. Así un transductor de presión puede tener un alcance de entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20 mA; un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 oC y un alcance de salida 4 a 10 mV. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Intervalo o Span
El intervalo es la variación máxima en la entrada o en la salida, es decir, el intervalo de entrada es IMAX – IMIN y el intervalo de salida OMAX - OMIN. Así, por ejemplos, un transductor de presión tiene un intervalo de entrada de 10 N y un intervalo de salida de 16 mA; Otro ejemplo es el de un termopar que puede tener un intervalo de entrada de 150 oC y un intervalo de salida de 5 mV, es bueno notar que de acuerdo a la referencia, se pude tener desplazada la salida. Como se muestra en la figura. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Curva de Calibración
Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición son las curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y viceversa si es necesario.
Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor o transductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración, en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta en amplitud. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Linealidad
Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A(IMIN, OMIN) con el punto máximo B(IMAX, OMAX). La ecuación de la línea recta es: Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Sensibilidad
Es la señal mínima a la cual el instrumento responde, indicando un cambio en la variable de medición. Si el instrumento no responde a un cambio pequeño se dice que tiene una zona o banda muerta. En la figura se muestra cual es la sensibilidad de salida de un instrumento con respecto al cambio de la señal de entrada. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. En la figura podemos observar una banda muerta, que es el rango a través del cual un cambio en la señal de entrada no produce un cambio en la señal de salida.
Histéresis
Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace con los datos de subida y los datos de bajada en la entrada), al representar gráficamente los datos de la medida del transductor (variable de salida o variable eléctrica), tendremos la representación de dos curvas de salida, una de subida y otra de bajado. Idealmente deberían ser iguales la curva, a la diferencia entre estas dos curvas se define como la histéresis. En la figura se muestra la curva de histéresis de un sistema de medición. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.
Todo sistema de medida posee una señal de entrada y una señal de salida. A la función que describe la relación entre la entrada y la salida, que es el mismo sistema de medición, se le llama función de transferencia G(s).
La función de transferencia de un sistema puede ser de orden cero, primer orden, segundo orden y orden superior. De acuerdo al orden del denominador de la función, a éste se le llama ecuación característica, ya que va a definir el comportamiento del sistema de medición. Características dinámicas de los sistemas de medición
La forma más utilizada para el calcular de la función de transferencia de un sistema, es haciendo su analogía eléctrica. Una vez que se tiene representado el circuito en su equivalente eléctrico, se procede a calcular la función de transferencia del circuito. Veamos el ejemplo para el circuito RC mostrado en la figura Características dinámicas de los sistemas de medición
Características dinámicas de los sistemas de medición Análisis del circuito RC
Respuesta en frecuencia.
Consiste en analizar como varia la sensibilidad del transductor en función a la frecuencia de la variable de entrada, de lo cual por lo cual es evidente que lo deseable es trabajar siempre en la zona plana, donde la sensibiliza es independiente de la entrada, para de esta manera asegurar una respuesta lo mas lineal del transductor. En muchos casos se trata respuesta en frecuencia al margen en el cual la sensibilidad permanece constante. La figura muestra una forma típica de una curva de respuesta en frecuencia. Características dinámicas de los sistemas de medición
Respuesta en Fase.
En muchos casos, la salida proporcionada por un transductor, viene acompañada con un desfase con respecto a la señal de entrada. A la variación del desfase con respecto a la frecuencia se le denomina respuesta en fase
Los problemas de desfase se presentan cuando se mide una señal periódica no senoidal, es decir compuesta por muchos armónicos. En estos casos es fundamental que la respuesta en fase sea lineal, es decir: Características dinámicas de los sistemas de medición
Para ilustrar esto haremos el análisis para un señal mecánica f(t) que se puede descomponer en Características dinámicas de los sistemas de medición La salida que producirá un transductor de sensibilidad S y su respuesta en fase lineal será La respuesta en fase lineal se da para un tiempo fijo de k, por otro lado, el desfase nulo es valido, sin embargo un desfase constante no es valido, como se muestra a continuación Respuesta en Fase.
En la figura se muestra la respuesta en fase lineal y fase constante de una señal mecánica con armónicos de 5 Hz y 10 Hz. Características dinámicas de los sistemas de medición Respuesta en Fase.
Tiempo de establecimiento.
Es el tiempo necesario para que las oscilaciones de la salida se mantengan dentro de un rango alrededor del valor final, de acuerdo al sistema los límites están entre 2% y 5% del valor final. Características dinámicas de los sistemas de medición
Variable medida: Es una cantidad física, propiedad o condición que esta siendo medida. Ejm: Temperatura, Flujo, presión, etc…
Señal medida: Es una variable eléctrica, mecánica, neumática u otra, aplicada a la entrada de un equipo.
Señal de Entrada: Una señal aplicada a un dispositivo o sistema
Señal de Salida: Una señal entregada por un dispositivo o sistema.
Elevación de cero: Es la cantidad con la cual el valor cero de la variable medida supera al valor inferior del rango. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span o rango.
Supresión a cero: Es la cantidad con la cual el valor inferior del rango supera al valor cero de la variable medida. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span o rango.
Rango con elevación de cero: Es el rango de medida en el cual valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del rango.
Rango supresión de cero: Es el rango en el cual el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del rango. Términos relacionados con el campo de medida
Algunas de las características estáticas mas importantes son:
Error estático: Es la diferencia algebraica entre el valor indicado por el instrumento y el valor real de la señal medida. Un error positivo indica que la medición indicada por el instrumento es mayor que el valor real.
Repetibilidad: La repetibilidad de un instrumento es el grado de igualdad con que un valor dado puede ser repetidamente medido. Puede especificarse en términos de unidades por un periodo de tiempo dado o por porcentaje de span. Un instrumento que tiene una repetibilidad perfecta es que no tiene desviación, o sea, su calibración no varia gradualmente en un periodo de tiempo largo.
Desviación: Significa una separación gradual del valor medido con respecto al valor calibrado, generalmente después de un largo intervalo de tiempo durante el cual el valor de la variable no cambio.
Corrimiento (Drift): Es cuando ocurre un cambio en la relación de entrada-salida de un instrumento sobre un periodo de tiempo. Una repetibilidad perfecta significa que el instrumento no tiene corrimiento. Términos relacionados con las características estáticas del instrumento.
Aplicaciones.
Los transductores son aplicados en un amplio campo de actividades en la industria y en la investigación. Sus aplicaciones se pueden resumir en:
Monitoreo de procesos que proporcionan datos en línea, lo que permiten al operador (maquina o humano) hacer ajustes y control del proceso.
Control de procesos automáticos: sistema a lazo cerrado. Condiciones resaltantes para los transductores y/o sensores
Características operativas.
En general, un transductor debe tener las siguientes características: Intercambiable
Exacto sobre un amplio rango de temperatura.
Medir con exactitud la magnitud de la variable
Reproducir con exactitud el evento físico en función del tiempo
Reproducir la salida con exactitud en ambientes extremos de humedad, temperatura, choque o vibración.
Proveer una señal compatible con el acondicionador de señal.
Ser robusto y simple, de modo de ser usado por personal sin experiencia. Condiciones resaltantes para los transductores y/o sensores
Tendencias actuales del diseño de los transductores
Transductor y acondicionador de señal en un solo dispositivo.
Reducir costo y tamaño
Sensores digitales (pulso de salida), directamente compatible con el computador.
Integración a bus de campo
Inteligencia asociada a ellos mismos y el proceso Condiciones resaltantes para los transductores y/o sensores
Factores importantes para la selección de un sensor
Factores importantes para la selección de un sensor
Factores importantes para la selección de un sensor Sistema Internacional de Unidades (SI).
La conferencia general de pesas y medidas han propuesto un sistema de unidades (SI) que sustituyen a los sistemas c.g.s y M.K.S. El sistema consta de siete unidades básicas y dos complementarias, las cuales se muestran en la tabla
Bibliografía Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega. Barcelona, España. 1993. Pág. 732
John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA
Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas Venezuela. 1995. Pag. 285.
Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480.
National Instrument “Software advance in Measurements and Instrumentation”, Octubre, 1992. Part Number 350107-01.
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