unidad 2.- Conceptos Básicos de Instrumentacion
Damian Alejandro Zavaleta Andrade
un término muy general que se usa para describir la variación de una señal de entrada respecto a su forma de salida. Según sea el sistema, la distorsión puede resultar por muchos factores, la más generalizada es que la señal de salida no es proporcional linealmente en todos los rangos de valores, por ejemplo un sensor de termopar tiene una curva de respuesta cercana a una función matemática de 2do orden, Un diodo usado como sensor tiene una respuesta exponencial. Es común que se diseñe el uso de los sensores en su parte de respuesta lineal para un cierto rango de valores.
En los dispositivos electrónicos, se emplean diversos circuitos a fin de reducir la distorsión a valores muy pequeños; pero en los sistemas mecánicos, las características de respuesta dinámica no se controlan con tanta facilidad y siguen siendo un tema de desarrollo adicional.
1) DISTORSION NO LINEAL
2) DISTORSIÓN DE FASE
3) DISTORSION DE INTERMODULACION
Dos señales de entrada de frecuencia diferente se mezclan por la no-linealidad en el sistema para dar una suma diferencia de frecuencias nuevas.
el sistema que introduce desplazamientos de fase que varían con la frecuencia.
producida por las características no lineales del sistema.
La medición estática de una cantidad física se efectúa cuando la cantidad no cambia con el tiempo. Por ejemplo la medida de temperatura de un cuerpo sólido puede ser una medida estática, sin embargo, si se establecen condiciones de calentamiento que varían con el tiempo, la temperatura del cuerpo también variara y entonces, el proceso de medición puede complicarse.
la entrada a un sistema es una función sinusoidal se tiene el comportamiento del sistema en su respuesta en frecuencia. Por ejemplo el comportamiento de las vías de un tren dependen además del peso que soportan cuando pasa el tren, de las vibraciones a las que están sometidas debido precisamente al paso del tren, estas vibraciones se caracterizan por ser funciones matemáticas de la frecuencia.
El fenómeno principal que se produce en la respuesta en frecuencia es de Resonancia que es la frecuencia a la cual el sistema es capaz de emitir o recibir energía.
Muchas mediciones experimentales se realizan en circunstancias tales, que se cuenta con suficiente tiempo para que el sistema de medición alcance el estado estacionario y por lo tanto, no es necesario preocuparse del comportamiento bajo condiciones de estado no estacionario.
Sin embargo, en muchas otras situaciones puede ser deseable determinar el comportamiento de una variable física en un periodo de tiempo. Algunas veces el intervalo es corto, y algunas otras puede ser extenso. En cualquier circunstancia, el problema de medición se complica cuando se necesita considerar las características transitorias de un sistema
1. Tiempo de respuesta
2. Constante de tiempo
3. Tiempo de subida
4. Tiempo de estabilización
Es el tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en estado estable. Es común que el tiempo de subida se refiera al tiempo que tarda la salida en subir de 10% a 90% o 95% del valor en estado estable.
Es el tiempo que tarda la salida en estabilizarse a un porcentaje de un valor determinado, por ejemplo, dentro del 2% del valor en estado estable o valor final..
Es el 63.2 % del tiempo de respuesta. La constante de tiempo es una medida de la inercia del sistema y de qué tan pronto reaccionará a los cambios en su entrada; cuanto mayor sea la constante de tiempo más lenta será su reacción ante una señal de entrada variable. Por ejemplo al accionar la llave del agua caliente en la regadera la respuesta en cambio de temperatura del agua se hará presente después de 4 constantes de tiempo del sistema.
Es el tiempo que transcurre después de aplicarse una entrada constante de entrada escalón unitario, hasta que el sistema produce una salida correspondiente al 95% del valor de la entrada. Por ejemplo, si un termómetro de mercurio en tubo de vidrio se pone en un líquido caliente transcurrirá un lapso apreciable, quizás 100 s o más, antes de que el termómetro indique el 95% de la temperatura real del líquido.
al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el sistema de medición logra su valor de estado estable.
son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable, es decir valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después de recibir cierta entrada.
Medir: Es la comparación de una cantidad con otra de la misma especie a la cual se le da el nombre de unidad o patrón de medida.
convertir cantidades físicas de un sistema de unidades a otro, existe para facilitar este proceso software particularmente desarrollado para este propósito
En las referencias bibliografías se señalan direcciones de Internet en donde se puede conseguir software conversor de unidades.
como unidades básicas de longitud masa y tiempo a el pie, la libra y el segundo respectivamente
Aunque las medidas de longitud y peso son un legado de la ocupación Romana de Gran Bretaña y por tanto están definidas rudimentariamente
El sistema internacional MKSA de unidades se adoptó en 1960 por la Decimoprimera Conferencia General de Pesas y Medidas bajo el nombre de Sistema Internacional de unidades (SI). El sistema SI está reemplazando a los demás sistemas en los países que usan el sistema métrico y su amplia aceptación relega a los otros sistemas a una eventual obsolescencia.
Medición directa.- Este método se caracteriza por hacer en forma directa la comparación de la cantidad que se quiere medir contra el patrón o unidad de medida
Medición indirecta.- Este tipo de medición se obtiene como una derivación de la medida indirecta calculando el valor de la cantidad deseada mediante la aplicación de formulas adecuadas.
permite verificar el instrumento contra un patrón o estándar conocido y conocer al menos las características de comportamiento respecto a su exactitud, precisión, resolución y sensibilidad. Lo que permitirá la mejor toma de decisión respecto a su aplicación y uso.
- Estándares
- Patrones Secundarios
- Patrones de Trabajo
- Fuentes de Referencia Conocida
- Concepto de error en la medición
- Incertidumbre
La medición en sí, constituye una de las operaciones más importantes en el trabajo científico. Cuando se efectúa una medición, no se espera que el valor obtenido este exento de error, pues como ya se dijo depende de varios factores.
factores como la exactitud del instrumento, competencia del personal que lo usa, efecto del medioambiente, etc. Particularmente se vuelve importante la incertidumbre de una cantidad en particular, cuando es la base para efectuar cálculos para determinar otra cantidad relacionada.
1) Error absoluto
2) Error relativo
el valor que se expresa de acuerdo con la magnitud de la medida, se obtiene mediante el cociente del error absoluto entre el valor aceptado. Como resulta siempre una fracción se expresa como porcentaje de error
la diferencia del valor aceptado como correcto (Vp). menos el
obtenido en la medición (Vm),
-Error
-Errores humanos
-Errores sistemáticos
-Errores aleatorios
-Errores de instrumentación
se realiza una mala selección de los instrumentos que intervienen en una medición, siempre se deben de considerar las características de exactitud, precisión, resolución y sensibilidad adecuadas para una aplicación en particular.
Subtema
permanece constante en una medición, se debe fundamentalmente a los aparatos o instrumentos utilizados para efectuar la medición. Generalmente provienen del desgaste o defecto propio del instrumento y el efecto del medio ambiente en el equipo.
varía en cada medición y cuyas causas no se pueden establecer, con frecuencia se debe a la persona que lo efectúa.
los errores tales como, mala lectura, mal manejo del instrumento, falta de calibración, mala aplicación del instrumento, entre otros
En esta categoría destaca el error de paralelaje o paralelas que se comete cuando lo visual del observador no incide perpendicularmente con la superficie de la escala de un medidor de aguja. Para disminuir al máximo este error es necesario que la escala y la aguja indicadora estén en el mismo plano y leer en posición tal, que la visual sea perpendicular y paralela (sobre) a la escala y a la aguja.
el grado de desviación de una medida física con respecto al valor aceptado, ninguna medición se puede efectuar carente de error, siempre estarán estos presentes. Los errores pueden provenir de varias fuentes.
Normalmente se deben de considerar todas las posibles fuentes de error y tratar de controlarlas o prevenir su efecto sobre el resultado final de la medición, en todos los casos siempre estará la lectura final con un valor de incertidumbre agregado que suma todos los posibles valores de error.
En la práctica es común que se emplee como referencia una fuente de entrada conocida, la cual se puede conocer ya sea porque se ha calibrado en un centro de metrología, o más bien, porque se ha medido con un instrumento que consideramos patrón, ya sea porque es nuevo o de poco uso o es confiable por los resultados que ya se han obtenido.
medida que se han calibrado precisamente en estos centros de calibración, ya sea nacionales o extranjeros, en el mercado existen diferentes unidades patrón que se comercializan por empresas como LEED`S and NORTHRUP L&N, HEWLET PACKARD, TAYLOR INSTRUMENTS, FISHER SCIENTIFIC Co.
se obtienen a partir de la comparación directa con los patrones primarios y son los que normalmente tienen los centros nacionales de calibración, estos centros ofrecen los servicios de calibración a los interesados, en México existen como ya se menciono el Centro Nacional de Metrología, Los Laboratorios Nacionales de Fomento Industrial LANFI entre otros.
Es necesario establecer ciertas unidades patrón o estándares, pudiendo estos ser de longitud, peso, temperatura, tiempo y magnitudes eléctricas entre otras. En México es el Centro Nacional de Metrología quien tiene la responsabilidad de mantener esos estándares, en los Estados Unidos de Norteamérica es el Nacional Bureau of Standard.
a partir de ellas se pueden generar otras unidades llamadas secundarias, constituyéndose un Sistema de Unidades de Medición por un conjunto de unidades fundamentales.
los procedimientos de calibración implican una comparación particular con: 1)Un patrón primario; 2)Un patrón secundario con una mayor exactitud que la del instrumento que se calibra, o 3)Con una fuente de entrada conocida
Normas, generadas por organismos gubernamentales, asociaciones de ingenieros o fabricantes de un ramo en particular, entre las que se encuentran a nivel internacional las Normas: ISO, IEEE, DIN, a nivel de asociaciones de ingenieros ASME, ASTM, a nivel nacional: DGN, NOM.
En el departamento de metrología de muchas empresas se conservan Normas y algunos instrumentos y elementos como resistencias y celdas para usarse solo en calibraciones.
Los siguientes son algunos ejemplos de procedimientos de calibración que se pueden utilizar internamente en una empresa:
en comparar la salida de sistemas y subsistemas de medición con patrones o estándares de exactitud conocida. Como estándares de referencia es posible utilizar otros instrumentos, cuyo propósito es la calibración, o algún otro medio que permita definir valores de referencia conocida
1. Voltímetros
Se verifican utilizando como referencia voltímetros patrón o celdas patrón que producen f.e.m. en la norma.
2. Amperímetros
Se verifican utilizando como referencia amperímetros patrón.
3. Circuitos de un puente de Wheatstone
La salida de un puente de Wheatstone se puede verificar al colocar y medir una resistencia patrón en uno de sus brazos.
5. Indicadores de presión
En los indicadores de presión de baja capacidad se pueden usar pesos patrón.
6. Sensores de presión
Los sensores de presión se calibran mediante un probador de peso muerto
7. Sensores de temperatura
Se calibran por inmersión en metal puro fundido o en agua. A continuación poco a poco se reduce la temperatura de la sustancia y se obtiene un registro de la temperatura en función del tiempo. Cuando el estado de la sustancia pasa de liquido a sólido, la temperatura permanece constante. Su valor se puede obtener en tablas que dan la referencia exacta de temperatura que se puede utilizar para una calibración.
parte de la terminología usada en el campo de la instrumentación, misma que se aplica para determinar las características mínimas que se deben cumplir a fin de que la medición de una variable física se lleve a cabo con éxito de acuerdo a la aplicación que se le pretenda dar.
- Exactitud
- Precisión
- Resolución
- Sensibilidad
- Cifras Significativas
la relación de la señal de salida o respuesta del instrumento al cambio de la entrada o variable medida
En lo general la sensibilidad de un instrumento debe ser siempre mejor que la resolución del mismo.
Una indicación de la precisión de un instrumento se obtiene a partir del número de cifras significativas con las cuales se expresa una lectura, las cifras significativas dan información con respecto al grado de precisión de las mediciones de una cantidad. Entre más cifras significativas, mayor es la precisión de un instrumento.
el cambio más pequeño en el valor medido para el cual el instrumento responderá o de otra manera: la resolución de un instrumento es la escala en que se resuelve una medición.
la habilidad para repetir la misma medida respecto a la misma entrada. También es común expresarla estadísticamente como el valor que da tres veces la desviación estándar para una distribución normal sobre un conjunto de medidas respecto a la misma entrada, en este punto cabe aclarar que en el campo de la instrumentación algunos fabricantes, por razones particulares toman como valor únicamente dos desviaciones estándar.
un valor patrón, este valor patrón o lectura patrón se puede obtener de otro instrumento que se considere como de referencia, O directamente contra un patrón o estándar conocido. Es necesario efectuar varias mediciones con el instrumento
indica la falta de coincidencia de la lectura (valor medido Vm) respecto a una entrada conocida. (valor patrón Vp).
La aplicación de las técnicas de instrumentación es muy actual, debido a la demanda creciente para la medición y control de las variables físicas en una amplia variedad de aplicaciones. Para enfrentar esta demanda, se deben conocer los principios básicos de la instrumentación las ideas que gobiernan su uso y desarrollo.
