TEMA I: GENERALIDADES DEL SISTEMA DE MEDIDA

Desde la antigüedad medir es una necesidad vital para el hombre. La medida surge debido a la necesidad de informar a los demás de las actividades de caza y recolección, como por ejemplo: a que distancia estaba la presa, que tiempo transcurría para la recolección; hasta donde marcaban los límites de la población.

En último lugar surgieron los sistemas de medidas, en las poblaciones con las actividades del mercado. Todos los sistemas de medidas de longitud derivaron de las dimensiones del cuerpo humano (codo, pie...), de sus acciones y de las acciones de los animales.

Otros sistemas como los del tiempo también derivaron del ser humano y más concretamente de los fenómenos cíclicos que afectaban a la vida del hombre.

Los sistemas de medidas concretos, tales como las de longitud, superficie, tuvieron una evolución muy distinta. Los de longitud derivaron de las dimensiones que se recorrían. Sin embargo en las medidas de capacidad hubo un doble sistema según fuera para medir líquido o sólido, y los nombres de ambos sistemas derivaron de los recipientes en los que eran contenidos o de sus divisores.

Descripcion de un sistema de medida y control.

Los sistemas de medida y control se encargan de sensar, registrar, compara y actiuar de acuerdo a la medida tomada sobre el proceso. Un sistema de medida no es mas que la combinacion de varios elementos , subconjuntos y partes necesarias para realizar la asignacion efectiva y empirica de un numero a una propiedad o cualidad de un objeto o evento, de tal forma que la describa.

En toda medicion existe tres funciones basicas:

• Adquirir la informacion




• Procesar la informacion




• Presentar los resultados

Figura 1. Diagrama de bloques sintetico de un sistema de medida

Sensor: Es un dispositivo que a partir de la energia del medio donde se mide, da una señal transducible que es función de la variable medida.

Tipo de Sensores:

• Segun el aporte de energia: En estos sensores estan los moduladores y los generadores. Los sensores moduladores (activos), la energia de la señal de salida procede mayormente de una fuente de energia auxiliar; la entrada controla la salida. En los sensores generadores (pasivos) la energia de salida es suministrada por la entrada.

• Segun la señal de salida: Los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los sensores analogicos la salida varía, a nivel macroscópico, en forma continua. La información está en la amplitud; se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. En los sensores digitales, la salida varía en forma de saltos o pasos discretos. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud.

• Atendiendo al modo de funcionamiento: Estos sensores pueden ser de deflexión o comparación. En los sensores de deflexión la magnitud de medida produce algun efecto físico. Los sensores de comparación son los que intentan mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. hay un detector de desquilibrio y un medio para restablecerlo.

• Según el tipo de relación entrada/salida: Los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. 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.

Interferencia: Se denomina interferencias o perturbaciones externas aquellas señales que afectan al sistema de medida como consecuencia del principio utilizado para medir las señales de interés.Perturbaciones internas son aquellas señales que afectan indirectamente a la salida debido a su efecto sobre las características del sistema de medida.

Exactitud: Regularidad, veracidad y precisión en algo en este caso de las mediciones. El valor exacto se obtiene mediante métodos de medidas validados internacionalmente. La exactitud se obtiene mediante la calibración estática que no es mas que medir poco a poco una variable, y se construye entonces el patrón de referencia.

Error: Es la discrepancia entre el valor correcto y el obtenido.

Error Absoluto: Se obtiene cuando se resta el valor obtenido y el valor verdadero.

Error Relativo: Es la relación que hay entre el error absoluto y el valor verdadero expresado en tanto por ciento.

Error referido a fondo escala: Es la forma habitual de expresar el error en los instrumentos y consiste en dividir el error absoluto entre el fondo escala del instrumento.El valor medido y su exactitud deben darse con valores numéricos compatibles, de forma que el resultado numérico de la medida no debe tener mas cifras de las que se puedan considerar válidas.

Sensibilidad: Es la facultad de percibir sensaciones, propiedad de las cosas que ceden fácilmente, la sensibilidad de un instrumento se determina por su exactitud. Tambien se puede denominar como la pendiente de la curva de calibración, que puede ser o no constante a lo largo de la escala medida.

ERRORES EN EL PROCESO DE MEDICIÓN:

El proceso de medición lleva siempre implícito una indeterminación, es decir siempre que medimos, por razones muy diversas y, en general, difíciles de evitar, corremos el riesgo de no “acertar” con el valor exacto de la magnitud que queremos conocer. Unas veces esto es debido a la imperfección de nuestros instrumentos, o al diseño del proceso de medida, o a factores ambientales, etc. De manera que cuando expresamos el valor “medido” de una magnitud debemos siempre hacer una estimación del grado de confianza con el que hemos realizado la medida.

Los errores de un sistema se determinan a partir de su calibración, que consiste en aplicarle entradas conocidas y comparar su salida con la obtenida con un sistema de referencia más exacto. Según su naturaleza los errores pueden ser sistemáticos o aleatorios.

Errores Sistemáticos: Son más difíciles de detectar. Estas discrepancias son reproducibles. A menudo es el resultado de un fallo en la instrumentación y provienen de una consistencia matemática insuficiente. Estos errores se encuentran (y se corrigen) repitiendo el análisis con diferentes equipos o repitiendo el cálculo (por otros medios, o por un compañero).Estos errores se producen por una o varias de las siguientes fuentes:

• Efecto de carga del circuito de medición: La transferencia de tensión o de corriente de un sistema a otro debe hacerse sin perdida de información. Sin embargo el valor de la impedancia de salida de la señal y la impedancia de entrada del sistema dan lugar a una atenuación de la señal.

• Proceso de medición: El proceso de medición perturbara siempre al sistema que se esta midiendo. La magnitud de la medición varía de un sistema a otro, y se ve afectada especialmente por el tipo de instrumento de medición que se utiliza.

• Condiciones ambientales: Las características estáticas y dinámicas se especifican para condiciones ambientales particulares, por ejemplo de temperatura y presión. La magnitud de esta variación se cuantifica por medio de la deriva de la sensibilidad y la deriva del cero (offset).

• Ruido periódico: Este ruido es provocado por la interferencia que produce la proximidad del sistema de medición a equipos o cables que conducen la corriente y se alimentan de la red eléctrica.Envejecimiento: La aparición de errores sistematicos después de un periodo de tiempo es absolutamente normal, esto se debe al envejecimiento de los componentes del instrumento. Se requiere una recalibración.
  

• Conexión de las puntas de prueba: Es importante que tengan la sección adecuada para minimizar su resistencia, e incluir el blindaje adecuado en caso de que se sometan a la acción de campos eléctricos y magnéticos que puedan inducir señales de ruido en ellas.

• F.e.m. térmicas: Siempre que se conectan dos metales diferentes se genera una f.e.m térmica que varia de acuerdo con la temperatura de la unión (efecto termoeléctrico). Estas f.e.m térmicas son de unos cuantos mV, y por ello, su efecto será significativo siempre que las señales de medición tengan una magnitud similar.

Errores Aleatorios o accidentales: Son los más comunes. Son debidos a la inevitable limitación de la calidad de los instrumentos. Sólo se pueden eliminar parcialmente si se refina el equipo o el método analítico, y repitiendo las medidas.Las fuentes de errores aleatorios son el ruido interno del sistema de medida y el ruido externo o interferencias electromagnéticas.El ruido que se genera en un circuito electrónico puede tener origen diverso:

• Ruido térmico: Se produce en cualquier elemento de comportamiento resistivo. Se debe a la agitación térmica de las partículas y crece con la temperatura y con el valor de la resistencia.

• Ruido de parpadeo (flicker o 1/f): Aparece en todos los componentes activos. Se asocia a una corriente continua que circula por el componente.

• Ruido shot: Se ocasiona por el movimiento aleatorio de los electrones al atravesar cualquier barrera de potencial.

Las interferencias electromagnéticas tienen su origen fundamentalmente en la presencia de campos electromagnéticos cercanos al sistema de medida.Las fuentes de interferencia pueden ser:

• Sistemas eléctricos: Motores y generadores, líneas de distribución y transporte, aparallaje eléctrico, hornos de arco, equipos de soldadura, iluminación, etc.

• Sistemas electrónicos: Equipos de comunicación, radar, computadores y sistemas de control, fuentes de alimentación y accionadores, sistemas industriales, etc.

• Otros sistemas: Sistemas de encendido, sistemas de ultrasonidos, etc.

Según el efecto en la característica de transferencia, se clasifican en:

• Error de cero: Permanece constante con independencia del valor de la entrada.
  

• Error de ganancia: Es proporcional al valor de la entada.

• Error de no linealidad: Hace que la característica de transferencia se aparte de una línea recta (suponiendo que sea ésta la característica ideal).

Los errores de cero y de no linealidad se suelen expresar como errores absolutos. Los errores de ganancia se suelen expresar como errores relativos. Dado que normalmente hay errores de todos los tipos, la expresión de la incertidumbre o error total suele incluir un término constante y otro que depende del resultado.

Según que se manifiesten cuando las señales de entrada son lentas o rápidas, los errores se denominan estáticos o dinámicos.

Error estático: Afecta a las señales lentas, por ejemplo de frecuencia inferior a 0.01 Hz.

Error dinámico: Afecta a las señales rápidas, y es una consecuencia de la presencia de elementos que almacenan energía. Dado que en la respuesta dinámica se consideran dos fases, la respuesta transitoria y la respuesta estacionaria, se habla de error dinámico transitorio y error dinámico estacionario.

COMPENSACIÓN DE ERRORES: Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteración del diseño o a base de nuevos componentes del sistema.Existen varias técnicas o métodos de compensación de errores entre los cuales citamos los siguientes:

• El diseño con insensibilidad intrínseca: Se trata de diseñar el sistema de forma que sea inherentemente sensible solo a las entradas deseadas.

• La realimentación negativa: Se aplica con frecuencia para reducir el efecto de las perturbaciones internas, y es el método en el que se basan los sistemas de medida por comparación. Si 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.
  

• El filtrado: Un filtro es todo dispositivo que separa señales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio. El filtro puede ponerse en la entrada o en una etapa intermedia. En el primer caso puede ser: eléctrico, mecánico, neumático, térmico o electromagnético.3. La utilización de entradas opuestas: Se aplica con frecuencia para compensar el efecto de las variaciones de temperatura. Si por ejemplo una ganancia varía con la temperatura por depender de una resistencia que tiene coeficiente de temperatura positivo, puede ponerse en serie con dicha resistencia otra que varíe de forma opuesta (con coeficiente de temperatura negativo) y así mantener constante la ganancia a pesar de los cambios de temperatura.

• La utilización de entradas opuestas: Se aplica con frecuencia para compensar el efecto de las variaciones de temperatura. Si por ejemplo una ganancia varía con la temperatura por depender de una resistencia que tiene coeficiente de temperatura positivo, puede ponerse en serie con dicha resistencia otra que varíe de forma opuesta (con coeficiente de temperatura negativo) y así mantener constante la ganancia a pesar de los cambios de temperatura.