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Introducción a la instrumentación electrónica y a las técnicas de medida -…
Introducción a la instrumentación electrónica y a las técnicas de medida
Conceptos de Instrumentación electrónica, medida y sistema electrónico de medida
La
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
es la parte de la Electrónica que se ocupa de medir magnitudes de cualquier clase, eléctricas o no, utilizando para ello los recursos que ofrece la Electrónica.
Instrumentación electrónica de control
Ingeniería de Control
Robótica
Control de Procesos
Automática
Instrumentación electrónica de medida
MEDIR
consiste en obtener una comparación cuantitativa entre un estándar predefinido y el parámetro físico particular que se observa y se desea cuantificar.
La estructura metrológica internacional se basa en los siguientes organismos
Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM)
Organización Internacional de Normalización (ISO)
Organización Internacional de Metrología Legal (OIML).
Cooperación Europea para la Acreditación de Laboratorios (EAL).
Objetivos de la medida
La vigilancia o seguimiento de procesos
El control de un proceso
La verificación de especificaciones.
Las medidas con un instrumento se pueden realizar utilizando los dos métodos siguientes:
Directo. Con este método, se deduce información cuantitativa acerca de una va- riable física o una acción mediante comparación directa con una referencia.
Indirecto. Se utiliza este método cuando no es posible medir directamente la magnitud que se desea conocer. La cantidad de interés se calcula a partir de la medida directa de otras magnitudes relacionadas con ella y de la aplicación de la ecuación que describe la ley que relaciona dichas magnitudes.
Componentes de un sistema electrónico de medida
Transductores
Son sistemas o dispositivos que realizan la conversión de una magnitud física cualquiera a una magnitud eléctrica, generalmente intensidad, voltaje o impedancia, de forma que esta última constituya una réplica, tan perfecta como sea posible, de aquélla.
Clasificación
Con arreglo al fenómeno físico que los sirve de base o por semejanza en el modo de funcionamiento, opción más atractiva desde el punto de vista científico o didáctico.
Clasificarlos por la magnitud de entrada o magnitud medida, más práctico para hacer catálogos o guías de aplicaciones.
Acomodamiento de señal
Los acondicionadores de señal son circuitos que convierten los parámetros eléctricos de salida de los transductores en una señal eléctrica (generalmente corriente, voltaje o frecuencia) que se puede medir fácilmente.
Razones por las que las señales de salida del transductor deben ser acondicionadas.
Para incrementar la relación señal-ruido hasta niveles adecuados. En este caso, el acondicionamiento implica:
Amplificar las señales hasta niveles que sean muy superiores al nivel de ruido eléctrico aleatorio.
Filtrar las señales para eliminar ruido introducido por interferencia eléctrica.
Si el transductor presenta una respuesta no lineal a los cambios de la magnitud física medida. En este caso, con el fin de tener una medida suficientemente significativa, hay que realizar un proceso de linealización mediante circuitos específicos o mediante programas adecuados de cálculo numérico.
Cuando la señal eléctrica que es función de la magnitud que se mide no es una tensión o una intensidad, suele ser conveniente utilizar un circuito que realice la conversión a este tipo de señal.
Procesamiento de la señal
Incluye el conjunto de transformaciones a que debe someterse la señal eléctrica para extraer de ella la información que se busca.
Presentación de la información
La información resultante del proceso de medida debe ser presentada de forma comprensible al operador, o elaborada e integrada para que pueda ser interpretada por un proceso automático en un sistema de control.
Clasificación de los sistemas electrónicos de medida
Instrumentos de Propósito General
Un instrumento electrónico de propósito general, consiste en un aparato con componentes electrónicos que pueda realizar una medida y sea capaz de procesar una señal de entrada que se desea analizar. Comúnmente dispone de botones, diales y visualizadores manipuables.
Sistemas de Adquisición de Datos
Un sistema de adquisición de datos es un sistema electrónico de medida que se utiliza para obtener automáticamente información de un determinado proceso o del estado de una planta.
Instrumentos Virtuales
Un instrumento virtual es un módulo de software que simula el panel frontal y las funciones de un instrumento real y basándose en todos los dispositivos físicos que pueden ser accesibles para el ordenador, realiza una serie de medidas como si se tratase de un instrumento real.
Características estáticas de los sistemas de instrumentación
EXACTITUD
La exactitud (accuracy) es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida para dar resultados o lecturas que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida.
Error absoluto. Se define como la diferencia entre el verdadero valor de la magnitud medida y el valor de la lectura que proporciona el instrumento.
Error absoluto. Se define como la diferencia entre el verdadero valor de la magnitud medida y el valor de la lectura que proporciona el instrumento.
PRECISIÓN O FIDELIDAD
La precisión o fidelidad (precisión) es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida para obtener una lectura con muchas cifras significativas y para dar el mismo valor del resultado al medir varias veces en las mismas condiciones.
REPETIBILIDAD
La repetibilidad se define igual que la precisión, con la salvedad de que las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto.
REPRODUCIBILIDAD
La reproducibilidad expresa el grado de coincidencia entre distintas lecturas individuales cuando se determina el mismo parámetro con un método concreto, pero con un conjunto de medidas realizadas a largo plazo o por personas distintas o con distintos aparatos o en diferentes laboratorios.
SENSIBILIDAD
La sensibilidad indica cómo se detectan pequeñas variaciones de la señal de entrada y se define como la pendiente de la curva de calibración, que puede ser o no constante a lo largo de la escala de medida.
HISTÉRESIS
La histéresis es la diferencia que se puede producir en la salida de un instrumento para una misma entrada dependiendo de si la entrada estaba aumentando o disminuyendo.
LINEALIDAD
La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada. Asimismo, se define como la máxima desviación relativa de la curva de calibración respecto al comportamiento lineal. A veces se da como porcentaje respecto al valor de fondo de escala de salida, FSO, o con respecto al valor de la lectura
Existen distintos tipos de linealidad como: linealidad Independiente, linealidad ajustada al cero, linealidad terminal, linealidad a través de los extremos, linealidad teórica, etc.
RESOLUCIÓN O DISCRIMINACIÓN
La resolución o discriminación es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida.
Características dinámicas de los sistemas de instrumentación
La presencia de capacidades y otros elementos almacenadores de energía hace que la respuesta de los sistemas de medida a señales de entrada variables con el tiempo sea distinta a la que presenta cuando las señales de entrada son constantes, descrita mediante las características estáticas.
Características dinámicas
Error dinámico
Se define como la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida siendo nulo el error estático. Describe la diferencia entre la respuesta del sistema de medida a una magnitud de entrada según ésta sea constante o variable con el tiempo.
Velocidad de respuesta
Indica la rapidez con la que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada.
Características de entrada de los sistemas de instrumentación
La descripción de los sistemas de medida mediante sus características estáticas y dinámicas no es completa, ya que no permite describir el comportamiento real del conjunto sistema de medida-sistema medido. Esto es debido a que las características estáticas y dinámicas de un sistema de medida no consideran el hecho de que en todo proceso de medida es inevitable la extracción de una cierta cantidad de energía del sistema donde se mide.
Errores de Medida
Se considera que existen varios ambientes a partir de los cuales pueden crearse variaciones con respecto a los resultados.
Humanos
Son los errores que surgen debido a la falta de cuidado al tomar o archivar las indicaciones de los instrumentos, como, por ejemplo, al realizar una lectura en una escala inadecuada, al anotar mal una lectura correcta.
De aplicación
Son los errores causados por utilizar el instrumento en la realización de medidas para las que no ha sido diseñado. Se pueden evitar si se conocen bien las características del instrumento que se utiliza.
Sistemáticos
Son los errores que en el curso de varias medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas condiciones y en un intervalo de tiempo breve, o bien permanecen constantes en valor absoluto y signo, o bien varían de acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida.
Aleatorios
Son los errores que permanecen una vez eliminadas las causas de los errores sistemáticos. Se manifiestan cuando se mide repetidamente la misma magnitud con el mismo instrumento y el mismo método.
Estadística de Datos Experimentales
Todos los instrumentos presentan incorrecciones inherentes y cada medida tiene un error asociado. Los errores aleatorios se pueden minimizar tomando muchas lecturas y calculando su valor medio.
Para reducir los errores, se pueden considerar dos métodos:
Distribución Gaussiana o Normal
Desviación tipica experimental de la media