DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE MEDIDA Y DE CONTROL.
En la industria, existen sistemas de control tanto analógico como digital, en ambos, a pesar de ser manejados por medios distintos tienen algunos aspectos en común, en ambos casos es necesario tomar una porción de la variable y ver si se esta comportando de la manera que se desea, en el caso del control digital, se conoce como muestreo, en donde cada cierto tiempo; que depende de la variable a medir y del tipo de proceso que se lleve a cabo, se toma una muestra de la señal para saber si esta está siguiendo fielmente el comportamiento que se desea, claro está que todo este proceso es llevado a cabo mediante un computador.
En mediciones analógicas se realiza este mismo proceso, pero con herramientas un tanto distintas, los sistemas que regulan y que controlan el proceso por el cual se hace pasar la variable, son netamente analógicos, generalmente estos sistemas tienen su principio de operación en los OPAMP’s (Operational Amplificator).
En esencia es lo mismo, nuestro proceso debe ser controlado y regulado por un sistema, para este fin el éste debe ser capaz de medir eficazmente la porción tomada, para ejercer control sobre el proceso de manera adecuada y así mantener el nivel de error lo más bajo posible. Esto se aplica para el procesamiento de cualquier variable del tipo analógica, como sería el caso del flujo de agua, de fluidos, incidencia de luz sobre un panel, presión, temperatura, entre otros.
BLOQUES CONSTITUTIVOS DE UN SISTEMA DE MEDIDA.
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*Adquisición de datos* - - - - -> *Procesamiento de Datos * - - -> *Res. Físicos*
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El proceso de adquisición de los datos, se realiza a través de un transductor, o un sensor, estos lo que hacen es en palabras sencillo de explicar; al recibir una variable de entrada del tipo analógica con características muy particulares, la procesa, y transmite a la salida, otra señal, del tipo eléctrica, con características totalmente distintas a la señal que se adquiere en la entrada, la finalidad de esto es poder relacionar las variables analógicas provenientes del ambiente con variables eléctricas, las cuales luego serán procesadas y medidas.
Los datos son procesados mediante circuitos electrónicos, que proporcionan un valor eléctrico relacionado directamente con la cantidad medida a nivel del transductor. Se escucha sencillo, pero la electrónica detrás de este proceso es algo compleja, se suele usar acondicionadores de señal para darle una forma más definida a la señal adquirida, y así poder trabajarla más cómodamente, ¿Por qué ocurre esto? la respuesta es sencilla de entender: Para no consumir energía de la variable que estamos midiendo, pues esto puede modificar su valor y proporcionar valores incorrectos a la hora de obtener un resultado, generalmente se usan amplificadores operacionales para este fin, una vez la señal analógica tiene forma definida y limpia en su mayoría, está es pasada a través de un conversor A/D, para cuantizar el valor tomado, este paso depende de la calidad o resolución del conversor que se esté usando en el sistema(generalmente de 8 a 10 bits de resolución).
Una vez que este dato, inicialmente tomado del ambiente, fue limpiado y convertido a formato binario, se hacer coincidir con un patrón, que relaciona ese dato cuantizado con un valor relacionado directamente a la variable análoga medida. Un ejemplo cotidiano y no relacionado a grandes sistemas de medidas se ve en un supermercado, en donde al colocar sobre una balanza electrónica un puñado de frijoles, no sabemos cuanto pesa aún, solo tenemos una muestra, ésta se coloca sobre la balanza, y luego del proceso descrito anteriormente, se muestra en la pantalla en formato digital la masa de ese puñado de frijoles.
SENSORES.
Un Sensor es un dispositivo, que dependiendo de la energía de alguna variable que resida en el medio ambiente, proporciona una señal de salida, la cual es función de la variable de entrada, suele mezclarse el concepto de sensor con el de transductor, no es incorrecto hacer tal consideración, ya que ambos realizan tareas muy semejantes, y la diferencia radica en que el transductor proporciona en la salida una señal con propiedades totalmente diferentes a las propiedades de la señal de entrada, mientras que el concepto de sensor solo maneja la parte que se refiere a recibir una señal proveniente del ambiente para luego poder ser percibida por nuestros sentidos de alguna manera u otra, no trata en lo absoluto las propiedades de dichas señales.
TIPOS DE SENSORES
· Según su aporte de energía:
Moduladores: Aquí la señal de entrada no aporta energía de manera significativa la señal de salida, sino que ésta esta posee una fuente externa de energía para tal fin.
Generadores: por el contrario, este tipo de sensores usan energía proveniente de la entrada para generar la señal de salida.
· Según la salida del sensor:
Analógicos: La señal de salida varia en forma continua, la información de la variable se encuentra ubicado en la amplitud de la señal.
Digitales: La señal de salida varia en pasos discretos, no es continua, es de fácil transmisión
· Según el modo de funcionamiento:
Por Deflexión: en este caso la señal de salida es de cierta forma análoga a la señal de entrada, es decir, la magnitud en la entrada produce un efecto físico en la salida, que de alguna manera este relacionado con la variable de entrada
Por comparación: en este caso se desea suprimir el efecto de deflexión, aplicando un efecto radicalmente opuesto al efecto producido por la magnitud que se desea medir.
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDAS.
El buen comportamiento de un sistema, depende en gran parte del sensor utilizado, en sus cualidades y defectos bajo ciertos parámetros, por este motivo es de suma importancia conocer las características relevantes y no tan relevantes de estos dispositivos. Estas características no son solamente usadas para describir a los sensores, sino también a cualquier instrumento de medida.
Exactitud: En resumidas palabras, es la capacidad de un dispositivo de media en arrojar resultados similares entre sí a medida que los valores en la entrada no varían bruscamente sino que van variando en proporciones muy pequeñas.
Precisión: es la cualidad que tiene un instrumento de acercar lo más próximo posible una variable de entrada a su magnitud verdadera.
Linealidad: Expresa el grado de coincidencia entre la curva obtenida al momento de calibrar el instrumento y una línea recta determinada.
Sensibilidad o Factor de escala: Es la pendiente de la curva de calibración. Se obtiene diferenciando F(x) siempre y cuando la sensibilidad esté dada por alguna función matemática.
Resolución: es el incremento mínimo que debe hacerse en la entrada para obtener un cambio en la salida.
Histéresis: se refiere a cómo puede variar la salida aún cuando en la entrada permanezca igual, generalmente ocurre cuando se trabaja con materiales ferromagnéticos.
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA.
Sucede, que cuando las entradas que ingresamos a los sensores son constantes, nuestro sistema no tiene mayor problema, más que aquellos que puedan sufrirse debido a las características estáticas mencionadas con anterioridad, pero en otro caso, que de hecho es lo más probable que ocurra a nivel industrial, nuestro sistema presenta en la entrada variables que no son constantes en el tiempo, sino que pueden variar de un momento a otro con una razón de cambio determinada.
En este caso el sensor presenta un comportamiento distinto, que puede se descrito mediante dos características fundamentales:
Error Dinámico: es la diferencia entre el valor arrojado en la medida y el valor exacto, este valor varía si se trata de una variable constante o variable en el tiempo.
Velocidad de Respuesta: Así como su nombre lo indica, esta característica nos indica con que rapidez, la variable de entrada produce un cambio en la variable de salida.
Los sistemas de medida de se dividen en Sistemas de medida de orden cero, uno y dos, estos se diferencian en las reglas matemáticas que los rigen, ya que se tratan de ecuaciones diferenciales de orden cero, uno y dos respectivamente para determinar la salida en relación a la entrada.
PERTURBACIONES E INTERFERENCIAS.
En un punto de nuestras carreras, nos damos cuenta que las condiciones de medición ideales son casi imposibles de obtener, en general, al momento de efectuar una medida, siempre existe alguna variable no deseada que también atraviesa el proceso de medición y que por ende afecta de cierta manera nuestro resultado final.
Las perturbaciones internas son aquellas que afectan de cierta forma no a la variable de entrada, sino al sistema de medida.
Las interferencias son aquellas que afectan la medida de una variable de tal manera que no importa que tan preciso o exacto sea el instrumento ya que alguna variable ajena a la que se medirá cambia las propiedades del objeto de medida. En el caso de las medidas eléctricas estas se ven afectadas por cambios de temperatura, cambios de altura, de presión, de humedad, entre otros, por ende, es difícil de predecir o de eliminar dichos fenómenos a la hora de medir.
CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA.
Impedancia de entrada: se define como el cociente entre las transformadas de Laplace de una variable esfuerzo y de la variable de flujo asociada. Por esta razón para poder obtener un error de carga mínimo y para que la potencia consumida en la entrada sea mínima, la impedancia en la entrada del sistema debe ser grande.
Aquí entra lo que se es conocido como efecto de carga, este se trata de lo siguiente, al conectar un dispositivo para realizar alguna medida, hace carga de alguna manera al sistema, es por esto que los sensores no pueden ser colocados directamente en el sistema, ya que la medida se puede ver afectada por el mismo instrumento de medición, es por esto que se acoplan circuitos seguidores con amplificadores operacionales, ya que este tiene un consumo demasiado pequeño de corriente, y su impedancia de entrada es sumamente alta, por esto para realizar alguna medida o colocar algún sensor se recomienda tomar previsiones en este aspecto.
TEORIA DE ERRORES EN LA MEDICIÓN INDUSTRIAL.
Incertidumbre: es el parámetro asociado con el resultado de una medida, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían atribuirse razonablemente al mesurando (cantidad particular sujeta a medición).
Un error sistemático es aquel que se produce de igual modo en todas las mediciones que se realizan de una magnitud. Puede estar originado en un defecto del instrumento, en una particularidad del operador o del proceso de medición. En este caso la medición puede cambiar con que tan solo cambien parámetros como el clima o la altura.
Un error aleatorio es el error que se produce aún cuando se han suprimido las causas que han causado error alguno, estos pueden apreciarse al suprimir todas las causas de errores y medir la misma cantidad una y otra vez bajo el mismo criterio, con el mismo método y con el mismo instrumento. Para disminuir este error se pueden tomar muchas medidas, y luego se saca un valor promedio de estas, así este error se ve reducido mientras mayor cantidad de medidas tomemos.
Error dinámico: es la diferencia entre las señales de entrada y salida durante el período transitorio, es decir el tiempo que tarda la señal de respuesta en establecerse.
Error estacionario: es la diferencia entre las señales de entrada y salida durante el período estacionario o permanente, se lo estudia en el campo complejo ya que se dispone de las transferencias, para ello se utiliza el teorema del valor final.
Un error de cero sucede cuando nuestro dispositivo de medición al no estar siendo usado, cuando está sin medir, muestra un valor, este valor puede ser por encima o por debajo del valor Nulo, puede ser muy diminuto o puede ser significativo, en estos casos si no se puede ajustar dicho dispositivo se debe medir que tanta esta desviado el aparato del cero, y una vez que se realice una medida, se le debe restar esta cantidad.
El error de ganancia se define como la diferencia entre el valor de ganancia nominal (ganancia esperada, calculada) y la ganancia real. Este valor se calcula cuando el error por compensación es nulo, caso contrario se obtendrá un error en un calculo generado por otro error.
Error absoluto de una aproximación es la diferencia en positivo entre el número dado o valor exacto y el número aproximado.
Error relativo de una aproximación es el cociente entre el error absoluto y el valor exacto
En los voltímetros y amperímetros el cero se encuentra al principio de la escala y al final de la escala, llamado fondo de escala, le corresponde el máximo valor posible de medir en esa escala. Esto sucede de forma similar con la mayoría de los instrumentos de medición.
Cifras significativas son todos los dígitos que se conocen con seguridad (o de los que existe una cierta certeza). La primera cifra de la izquierda distinta de cero, es la cifra más significativa.
Si no hay coma decimal, la última cifra de la derecha distinta de cero es la menos significativa.
Si hay coma decimal, la última cifra de la derecha aunque sea cero es la menos significativa.
Son cifras significativas todas las que se encuentran entre la más y la menos significativa.
El redondeo de cifras consiste en hacer un cálculo aproximado para acercarse lo más posible a la respuesta correcta de una suma, resta, multiplicación o división. Resulta más fácil y rápido estimar que obtener la respuesta exacta.
En matemáticas, una media es el promedio de un conjunto de números. Existen distintas medias matemáticas, como la media aritmética, la media geométrica, la media ponderada y la media armónica.
La desviación estándar es una medida de dispersión para variables de razón (ratio o cociente) y de intervalo, de gran utilidad en la estadística descriptiva. Es una medida (cuadrática) de lo que se apartan los datos de su media, y por tanto, se mide en las mismas unidades que la variable.
Para conocer con detalle un conjunto de datos, no basta con conocer las medidas de tendencia central, sino que necesitamos conocer también la desviación que representan los datos en su distribución, con objeto de tener una visión de los mismos más acorde con la realidad a la hora de describirlos e interpretarlos para la toma de decisiones.
Distribución Normal: esta distribución es frecuentemente utilizada en las aplicaciones estadísticas. Su propio nombre indica su extendida utilización, justificada por la frecuencia o normalidad con la que ciertos fenómenos tienden a parecerse en su comportamiento a esta distribución.
Muchas variables aleatorias continuas presentan una función de densidad cuya gráfica tiene forma de campana. En el caso de las mediciones, se puede observar cuando un grupo de medidas tienden a un valor en particular.
Error de lectura: cuando se habla de lectura de un instrumento de medida indicador, se quiere significar la referencia de la posición relativa del índice y de la graduación, en estas apreciaciones se comete un error de lectura debido a las siguientes causas.
Cuando realizamos numerosos calculos con decimales, estos podrían generarnos un error dependiendo la manera en como tratemos a éste numero cada vez que se realiza una operación, pues, podría traer complicaciones truncar un numero luego de cada operación, ya que si son 20 operaciones, el valor podría ser modificado significativamente. Por esto se recomienda, truncar o redondear, una vez se haya terminado toda la operación matemática.
Una aproximación por mínimos cuadrados es cuando se busca una recta, en forma aproximada, que se asemeje o ajuste a una serie de datos experimentales medidos.
