Definiciones y conceptos del tema 1

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (SISTEMAS DE
PERCEPCIÓN - DTE)
Curso 2009-10
1.
Generalidades
Instrumentación: En general la instrumentación comprende todas las técnicas, equipos y metodologı́a relacionados con dispositivos fı́sicos que permiten mejorar, complementar o aumentar la eficacia de los mecanismos de percepción sensorial y de comunicación del hombre.
Transductor: Es un dispositivo que convierte una señal de una forma fı́sica en una señal
correspondiente pero de otra forma fı́sica distinta.
Sensores: Transductor de entrada.
Actuadores: Transductores de salida.
Medidas directas: Son aquellas que se realizan mediante comparación directa con una referencia.
Medidas indirectas: Se obtienen a partir de otras medidas y aplicando la ecuación de la ley
que las relaciona.
2.
Tipos de sensores
Clasificación en función de:
• Aporte de energı́a
• Señal de salida
• Modo de funcionamiento
• Relación entrada – salida
• Magnitud medida
• Ingenierı́a electrónica
En función del aporte de energı́a pueden ser:
Moduladores: La energı́a procede de una fuente auxiliar
Generadores: La energı́a de salida es suministrada por la entrada
En función de la señal de salida:
Analógicos: Macroscópicamente la señal varı́a de forma continua
Digitales: La salida varı́a en forma de saltos o pasos discretos
En función del modo de funcionamiento:
De deflexión: La magnitud medida produce algún efecto fı́sico, que engendra algún efecto
similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna
variable útil.
De comparación: Se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto
opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector de desequilibrio y un medio
para restablecerlo.
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Definiciones de Sistemas de Percepción (DTE)
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En función de la relación entrada – salida:
Está relacionado con el número de elementos almacenadores de energı́a en el sensor. Influye
en su exactitud y velocidad de respuesta. Pueden ser de:
Orden cero
primer orden,
segundo orden y
orden superior.
En función de la magnitud medida:
Sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza,
par, etc.
En función de ingenierı́a electrónica:
De parámetro variable:
Resistencia
Capacidad
Inductancia
Generadores de señal:
Tensión
Carga
Corriente
3.
Interferencias y perturbaciones internas
Interferencias (o perturbaciones externas): Son 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 caracterı́sticas del sistema de medida.
4.
Caracterı́sticas estáticas de los sistemas de medida
Caracterı́sticas estáticas de los sistemas de medida: Son los parámetros que definen su
comportamiento frente a entradas de valor constante o variación relativamente lenta.
Caracterı́sticas estáticas esenciales: Exactitud, fidelidad y sensibilidad.
Calibración: Permite definir las caracterı́sticas estáticas esenciales. Se utiliza un instrumento
de calidad superior.
Fidelidad: Viene determinada por la dispersión de las lecturas en el sistema de medida. Normalmente se habla de repetibilidad que se refiere a un intervalo de tiempo corto. Cuando
es a largo plazo o por personas distintas hablamos de reproducibilidad.
Sensibilidad o factor de escala: Es la pendiente de la curva de calibración, es decir, la relación entre el cambio en la señal de salida y el cambio en la señal de la medida. Si la curva
de calibración es una recta la sensibilidad es constante y se dice que el sensor es lineal.
Exactitud: Es la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen
al verdadero valor de la magnitud medida.
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Error: Discrepancia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor.
error absoluto = resultado - verdadero valor
error absoluto
error relativo = verdadero
valor
También se puede indicar en % referido al fondo de escala o al valor de la lectura.
Errores sistemáticos: Se mantienen constantes después de medidas repetidas por lo que se
pueden evitar mediante una adecuada calibración.
Errores aleatorios: Permanecen después de corregir los errores sistemáticos.
Linealidad: Es el grado de aproximación de la curva de calibración a una lı́nea recta. Cuando el
sensor se supone lineal (Sensibilidad = cte.) en vez de inexactitud se habla de no linealidad.
En estos sensores el error se puede descomponer en error de cero: valor de la salida cuando
debı́a ser cero, y error de ganancia: indica la discrepancia entre la sensibilidad prevista y la
observada. La variación de estos errores (con el tiempo, las condiciones ambientales, . . . )
se conoce como derivas: deriva de cero y deriva de factor de escala.
La recta de referencia puede obtenerse (entre otros) por: mı́nimos cuadrados, ajustada a
cero, terminal, a través de los extremos, teórica.
Resolución: Es el incremento mı́nimo de la entrada para que haya cambio en la salida. Cuando
es a partir de cero se habla de umbral. En instrumentos digitales se debe tener en cuenta
las caracterı́sticas del convertidor A/D y el rango de medida considerado.
Campo o margen de medida: Es el intervalo de valores comprendidos entre el mı́nimo y
el máximo que puede medir el sensor. Debe corresponderse con el margen de variación
esperado para la magnitud de entrada.
Alcance, fondo de escala: Es la diferencia entre los lı́mites superior e inferior de medida.
Salida a fondo de escala: Es la diferencia entre las salidas para los extremos del campo de
medida.
Salida, Y
Ys
Yi
Magnitud a medir,
Xi
Xs
X
Campo de medida
Alcance, Fondo de escala = XS − XI
Salida a fondo de escala = YS − YI
Histéresis: Diferencia en la salida ante la misma entrada según la dirección en que se alcance.
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4.1.
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Resolución con instrumentos digitales
Resolución: La porción de señal más pequeña que puede ser observada. Está determinada
por el conversor A/D del dispositivo de medida y por el margen de medida en el que opere.
Hay varias formas de caracterizar la resolución: bits, dı́gitos y cuentas. Además se debe
conocer el alcance de la medida (fondo de escala F E).
La resolución (Res) expresada en unidades de la magnitud medida vendrá dada por:
Res =
4.2.
FE
N o ctas.
Propagación de errores
Esto es aplicable a las medidas indirectas.
Un procedimiento conservador (valor máximo del error sobreestimado) es el siguiente:
Para suma y resta de magnitudes valor máximo del error absoluto es la suma de las cotas
de los errores absolutos de las magnitudes implicadas.
Para productos y cocientes de magnitudes el error relativo (máximo) es la suma de los
errores relativos (máximos) de las magnitudes implicadas.
5.
Caracterı́sticas dinámicas de los sistemas de medida
La presencia de elementos almacenadores de energı́a (inercias y capacidades) hace que la
respuesta del sensor a señales de entrada variable sea distinta a la debida a entradas constantes.
Error dinámico= Valor exacto - Valor indicado (con error estático = 0)
Retardo: Velocidad de respuesta: indica la rapidez con que el sistema de medida responde
a cambios en la entrada.
Estas caracterı́sticas se miden mediante entradas tipo escalón, impulso, rampa, periódicas y
aleatorias.
Clasificación según el orden del sistema en: orden cero, primer orden,...
6.
Caracterı́sticas de entrada: impedancia
Error por carga: Cuando, debido a la extracción de energı́a del sistema donde se mide, la
variable medida queda alterada.
Variables esfuerzo: Tensión eléctrica, presión, temperatura, fuerza y par mecánicos.
Variables flujo: Corriente eléctrica, caudal volumétrico, velocidad lineal y angular.
Impedancia de entrada: cociente entre una variable esfuerzo (x1 ) y variable flujo (x2 ).
x1
Z(s) =
x2
Si se mide una variable esfuerzo la impedancia debe ser grande.
Admitancia de entrada: inversa de la impedancia (cociente entre variable flujo y variable
esfuerzo).
x2
Y (s) =
x1
Si se mide una variable flujo la admitancia debe ser grande.
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7.
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Sensores primarios
No siempre es posible encontrar un sensor adecuado para una magnitud con salida directamente eléctrica.