GENERALIDADES DE UN SISTEMA DE MEDIDA

1.-DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE MEDIDA Y CONTROL:
El Sistema de Medida y Control es aquel que realiza funciones de medición de magnitudes físicas, químicas, biológicas; procesando estas informaciones para regular el funcionamiento del sistema físico que pretende controlar, según los datos obtenidos en el proceso de adquisición de datos y medición. Este se basa en un Conjunto de dos o más elementos interconectados entre sí que tiene por objeto realizar una o varias funciones. Algunos ejemplos de medida a efectuar por un sistema de control pueden ser: medida dela temperatura interna de un horno, medida de la posición o del esfuerzo en un brazo robot, etc.

Estructura general de un sistema de medida y control

2.-SISTEMA DE MEDIDA:
Es un conjunto de elementos cuya función es la asignación objetiva y empírica de un número a una cualidad o propiedad de un objeto o evento, de tal forma que la describa. Por tanto, el resultado de la medida debe ser independiente del observador (objetiva), basado en alguna experimentación (empírica), y de tal forma que exista una correspondencia entre las relaciones numéricas y las relaciones de las propiedades descritas. Toda medición se basa en tres funciones básicas tales como: el sensor que está conectado con el proceso, procesar dicha información y mostrar resultados.

Las etapas fundamentales de un Sistema de Medida y Control son:

Diagrama de bloques sintético de un sistema de medida

2.1.-Bloques constitutivos:

* Sensor: No hay que confundir el término transductor con sensor, ya que el segundo se refiere únicamente a los dispositivos que amplían nuestros sentidos para permitirnos conocer el valor de unas determinadas magnitudes físicas.

* Transductor: estos reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida, basándose en la transformación de una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente eléctrica.

* Acondicionamiento de la señal: este se encarga básicamente de recibir la señal de salida de los transductores y preparar dicha señal de modo que sea apta para usos posteriores. Los acondicionadores poseen múltiples funciones como amplificar la señal, filtrarla, realizar la modulación o demodulación, adaptar impedancia entre otras.

* Conversión analógica digital: se realiza en dos etapas: primero se cuantifica la señal (representar la magnitud de la señal mediante un número finito de valores) y, posteriormente, se codifica (representar el valor mediante un código determinado: binario, Gray).

* Transmisión de dato: ya estando la lectura de los sensores adaptada al sistema de transmisión es enviado mediante este por líneas independientes o por buses; al sistema de control para su procesamiento.

* Procesado: se encarga de analizar y calcula las actuaciones necesarias para cumplir los objetivos que se hayan especificado.

* Visualización: Permite a un operario cualificado valorar la calidad del control que está realizando el sistema, reajustarlo o tomar decisiones de otra índole.

* Transmisión de ordenes: Al igual que en la transmisión de datos, las órdenes pueden enviarse a los actuadores mediante líneas independientes, por buses específicos, o por los mismos buses utilizados para la transmisión de datos.

* Conversión digital analógica: Dependiendo de la naturaleza del actuador, puede ser necesario hacer una conversión previa de la señal si el controlador esta implementado con un sistema digital.

* Acondicionamiento de la señal: Normalmente esta etapa está compuesta por un amplificador de potencia que adapta la señal de salida del controlador al actuador.

* Actuador: Es la etapa final de este proceso; realizan la conversión de energía con la finalidad de actuar sobre el sistema a controlar para así corregir, inicializar y modificar sus parámetros internos.

2.2.-CONCEPTOS GENERALES DE MEDIDA:

* Campo o margen de variación de medida: Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendido dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

* Resolución: Magnitud en los cambios en escalón de la señal de salida. Es decir; es el menor cambio que se puede discriminar.

* Margen dinámico: Es el cociente entre el margen de medida y la resolución.

3.-SENSOR:

Es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas.

3.1.-CLASIFICACION

a.- Según el aporte de energía:

*Moduladores: la mayor parte de la energía de la señal de salida procede de otra fuente auxiliar. Ejemplo: Resistencia variable con la temperatura (RTD)

*Generadores: la energía de salida es suministrada por la entrada. Ejemplo: Termopares, sensores fotovoltaicos (células solares)

b.- Según la señal de salida:

*Analógicos: En esto la señal de salida varia de manera continua.

*Digitales: son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos), es decir; La señal de salida varía de forma discreta; toma un valor de entre un conjunto finito.

c.- Atendiendo a su modo de funcionamiento:

* Deflexión: la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna parte útil. Ejemplo: En un dinamómetro, una fuerza (magnitud a medir) deforma el muelle hasta que la fuerza de recuperación, proporcional al incremento de longitud (variable útil), iguala la fuerza aplicada.

* Comparación: suelen ser más exactas porque el efecto conocido opuesto se puede calibrar con un patrón o magnitud de referencia de calidad. El detector de desequilibrio sólo mide alrededor de cero y, por lo tanto, puede ser muy sensible y no necesita estar calibrado.

d.- Relación entrada-salida: El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Estos pueden ser de Orden cero, Primer orden, Segundo orden yOrden superior.

e.- Según la magnitud a medir: De temperatura, de presión, de fuerza, de desplazamiento, de velocidad, de aceleración, de humedad, y de un sin fin de magnitudes susceptibles de ser medidas.

f.- Según el parámetro variable: Resistencia, capacidad, inductancia, tensión, corriente, etc. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, esta es la clasificación más útil. Pues permite reducir el número de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los circuitos de acondicionamiento asociados, que son similares para todos los sensores en los que el parámetro variable es el mismo.

3.2.-INTERFERENCIA
Son aquellas señales externas que afectan el sistema de medida como consecuencia del principio utilizado para medir las señales de interés.

3.3.-COMPENSACION DE ERRORES:
Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteración del diseño o a base de añadir nuevos componentes al sistema. Un método para ello es el denominado diseño con insensibilidad intrínseca. Se trata de diseñar el sistema de forma que sea inherentemente sensible sólo a las entradas deseadas. El método de la realimentación negativa es insensible a la perturbación considerada y está diseñada de forma que el sistema no se haga inestable, resulta entonces que la señal de salida no vendrá afectada por la perturbación; este método es aplicado con frecuencia para reducir el efecto de las perturbaciones internas. Otra técnica para reducir las interferencias es el filtrado. Un filtro es todo dispositivo que separa señales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio; una última técnica de compensación de perturbaciones es la utilización de entradas opuestas, que se aplica con frecuencia para compensar el efecto de las variaciones de temperatura.

4.-CARACTERISTICAS ESTATICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA:

El comportamiento del sistema de medida viene condicionado por el sensor empleado. En la mayoría de las aplicaciones la variable de medida varía tan lentamente que con conocer las características estáticas del sensor es suficiente. Estas características son:

* Exactitud: Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiene a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.

* Sensibilidad: Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo.

* Precisión: Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento (intervalo donde es admisible que se situé la magnitud de la medida), y define los limites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un periodo de tiempo determinado.

* Linealidad: Es la aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Hay varios tipos de linealidad:

-Linealidad independiente: la línea de referencia se obtiene por el método de los mínimos cuadrados.*Linealidad ajustada al cero: mínimos cuadrados pero que pase por cero.

-Linealidad terminal: La recta se define entre los puntos de respuesta teórica del transductor con la mínima y la máxima entrada admisible.*Linealidad a través de los extremos: La recta se define entre los puntos de respuesta real del transductor con la mínima y la máxima entrada admisible.*Linealidad teórica: la recta es la definida por las previsiones teóricas formuladas al diseñar el sensor.

* Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.




* Resolución: Magnitud de los cambios en escalón de la señal de la salida al ir variando continuamente la medida en todo el campo.

* Reproducibilidad: Se refiere también al grado de coincidencia entre diferentes lecturas, pero en este caso, separada temporalmente en un largo plazo y en condiciones diferentes.

*Repetibilidad: Indica el mismo hecho que la Fidelidad, pero cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto.

5.- CARACTERISTICAS DINAMICAS:
Estas describen el comportamiento de un sensor o sistema de medida cuando la magnitud a medir es variable en el tiempo. La respuesta de un sensor a señales de entrada variable define las características dinámicas de un sensor. Para caracterizar el comportamiento de un sensor ante una magnitud de entrada variable en el tiempo se definen dos parámetros: Error dinámico y Retardo.

* Error dinámico: Es la diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento.

* Retardo: indica la rapidez con la que el sensor responde a los cambios en la magnitud de entrada.

6.-CARACTERISTICAS DE ENTRADA:
Las variables que representan a las magnitudes físicas que intervienen en cualquier proceso de medida se incluyen en uno de estos dos grupos:

* Variables esfuerzo: Son, por ejemplo, variables esfuerzo la tensión eléctrica, la presión, la temperatura, la fuerza y el par mecánico.

* Variables flujo: Son variables flujo la corriente eléctrica, el caudal, la velocidad, etc.

7.-ERRORES DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA Y SUS ANALISIS:
En un sistema de medida pueden producirse errores en cualquiera de las fases del proceso; estos se determinan a partir de su calibración, que consiste en aplicarle entradas conocidas y comparar su salida con la obtenida con un sistema de medida de referencia, más exacto.
Según su efecto en la característica de transferencia, los errores pueden ser de cero, de ganancia y de no linealidad.

* Error de cero: Es el desplazamiento constante de todos los valores de salida del instrumento con relación a la recta que relaciona la variable de entrada con la salida de un instrumento ideal sin error.
Según su naturaleza los errores pueden ser sistemáticos o aleatorios.

* Error sistemático: Es La diferencia entre la media de todas las mediciones y el verdadero valor. El error sistemático se debe al hecho de cometer equivocaciones en el proceso de selección de los sujetos del estudio o en el proceso de diagnóstico de la situación de enfermedad o exposición.

* Error aleatorio: Es la diferencia entre una medición y la media de todas las mediciones; Estos errores son producidos de forma fortuita y por tanto inevitable. Los errores aleatorios positivos y negativos de igual valor absoluto tienen la misma probabilidad del producirse.

8.-INCERTIDUMBRE DE MEDIDA:
Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Cuando se dispone de una sola medida, la incertidumbre es:

Donde:
K= Factor que depende del nivel de confianza( K=2 para el 95%).

9.-ERRORES ESTATICOS:
Error obtenido cuando el proceso está en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor; este tipo de error afectan las señales lentas.

10.-ERRORES DINAMICOS:
Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso; este tipo de error afecta a las señales rápidas, y es una consecuencia de la presencia de elementos que almacenan energía.

11.-FORMA DE EXPRESAR LOS ERRORES:
Las medidas experimentales están afectadas de cierta imprecisión en sus valores debido a las imperfecciones del aparato de medida o a las limitaciones de nuestros sentidos en el caso de que sean ellos los que deben registrar la información. La magnitud de un error se puede expresar como error absoluto, como error relativo o como error referido a fondo escala.

11.1.-Error absoluto: Es la diferencia entre ese valor verdadero y el resultado mostrado por el instrumento. A veces el error también se expresa como un porcentaje respecto al máximo valor que puede medir el instrumento (valor de fondo de escala) o con respecto a la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo medibles.

11.2.-Error relativo: Es el cociente entre el error absoluto y el verdadero valor de la magnitud medida.

12.-CIFRAS SIGNIFICATIVAS:
Son todos aquellos dígitos de un número que se conocen con seguridad (o de los que existe una cierta certeza); es por ello que los científicos procuran que sus datos experimentales no digan más de lo que pueden decir según las condiciones de medida en los que fueron obtenidos. Debido a esto ponen cuidado en el número de cifras con que expresar el resultado de una medida con el propósito de incluir sólo aquellas que tienen algún significado experimental.

13.-REDONDEO DE NUMEROS:
Es el proceso mediante el cual se eliminan decimales poco significativos a un número decimal; es decir, reducir el número de cifras manteniendo un valor parecido.

El redondear números posee ciertas característica tales como:

* El redondear números hace que sea más fácil trabajar con ellos mentalmente.
* Los números redondeados son solo aproximados.
* Generalmente no se puede obtener una respuesta exacta utilizando números redondeados.
* Utiliza el redondeo para obtener una respuesta aproximada pero que no necesite ser exacta.

Las reglas que se emplean en el redondeo de números son las siguientes:

* Si la cifra que se omite es menor que 5, se elimina sin más.

*Si la cifra eliminada es mayor que 5, se aumenta en una unidad la última cifra retenida.

* Si la cifra eliminada es 5, se toma como última cifra el número par más próximo; es decir, si la cifra retenida es par se deja, y si es impar se toma la cifra superior. Algunos ejemplos. Si redondeamos 3,678 a tres cifras significativas, el resultado es3,68, que está más cerca del original que 3,67. En cambio si el número a redondear,también a tres cifras, fuera 3,673, quedaría 3,67 que es más próximo al original que3,68. Para redondear 3,675, según la tercera regla, debemos dejar 3,68.Las dos primeras reglas son de sentido común. La tercera es un convenio razonable porque, si se sigue siempre, la mitad de las veces redondeamos por defecto y la mitad por exceso.

Cuando los números a redondear sean grandes, las cifras eliminadas se sustituyen por ceros.

14.-ERROR DE CERO, GANANCIA Y DE NO LINEALIDAD:

* Error cero: llamado también error de offset, es aquel que permanece constante con independencia del valor de la entrada.

* Ganancia: Es la relación de magnitudes entre la señal de salida resultante y la señal de entrada de excitación.

* No linealidad: Es todo aquello que viola las reglas de la linealidad. Se define como la máxima diferencia entre la característica de transferencia real con respecto a una línea recta (generalmente se supone como la característica ideal).

En la figura se aprecian los comportamientos de estos errores respecto a una referencia:

15.-ESTIMACION DE ERROR DE UNA MEDIDA DIRECTA:
La estimación del error de una medida tiene siempre una componente subjetiva. En efecto, nadie mejor que un observador experimentado para saber con buena aproximación cuál es el grado de confianza que le merece la medida que acaba de tomar.

Los resultados de las medidas nunca se corresponden con los valores reales de las magnitudes a medir, sino que, en mayor o menor extensión, son defectuosos, es decir, están afectados de error. Cuando se realice la medida de cualquier magnitud hay que indicar el error asociado a la misma. Dado que no conocemos el valor verdadero de la magnitud que deseamos medir, se siguen ciertos procedimientos para hacer una estimación del mismo y de su cota de error.

Mejor valor de un conjunto de medidas:
El mejor valor de una cantidad finita de números (media o promedio), es igual a la suma de todos ellos dividida entre el número de sumandos. Expresada de forma más intuitiva, podemos decir que la media (aritmética) es la cantidad total de la variable distribuida a partes iguales entre cada observación. Supongamos que medimos una magnitud un número n de veces. Debido a la existencia de errores aleatorios, las n medidas x1, x2, x3,...,xn, serán en general diferentes. El método más razonable para determinar el mejor valor de estas medidas es tomar el valor medio. En efecto, si los errores son debidos al azar, tan probable es que ocurran por defecto como por exceso, y al hacer la media se compensarán, por lo menos parcialmente. El valor medio se define por: