CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION

Campo de medida (Rango, Range)
 Es el conjunto de valores de la variable medida
que están comprendidos entre los límites superior
e inferior de la capacidad de medida o de
transmisión
del
instrumento,
se
expresa
estableciendo los dos valores extremos.
Para el manómetro de la figura el rango es:
(0 – 60) bar ó 0 bar - 60 bar
Otro térmico usado es la dinámica de medida o
rangeabilidad (rangeability), que es el cociente
entre el valor de medida superior e inferior de un
instrumento.
Por ejemplo para un termómetro con rango de 100
°C a 400 °C, la rangeabilidad es 400/100 = 4.
Alcance (Span)
Es la diferencia entre los valores superior e
inferior del campo de medida del instrumento.
Span: (100 – 0) mbar
= 100 mbar
Error
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o
transmitido por el instrumento y el valor
convencionalmente verdadero de la variable
medida. Si el proceso está en condiciones de
régimen permanente (estado estable) se denomina
error estático. En condiciones dinámicas el error
puede cambiar (error dinámico).
TIPOS DE ERRORES
ERROR ALEATORIO: se debe a efectos fortuitos no
controlados por el operador del instrumento de
medición. Las causas principales de errores
aleatorios son:



Rozamientos internos
Acción externa combinada
Errores de apreciación de la indicación
Para una medida, Ai, el error aleatorio es:
E Aleatorio  Ai  Ai
donde : Ai es la media de todas las mediciones.
Ejemplo: si se mide un patrón de pH = 7,00 y el valor
medio de una serie de mediciones es 7,13; el error
aleatorio para una medida de 7,08 es:
E  7,08  7,13  0,05
ERROR SISTEMATICO: son aquellos que se repiten
de manera “sistemática” en las mediciones que se
realizan en condiciones de repetibilidad. Pueden ser
producidos por:
 Errores de ajuste de los instrumentos
 Errores de conexión de los instrumentos o errores de
método.
 Variaciones en las magnitudes de influencia.
 Errores del observador.
El error sistemático de una medida es igual a la
diferencia de la media de todas las mediciones con
respecto al valor real de la variable (Ar).
ESistemático  Ai  Ar
Para el ejemplo anterior:
ESistemático  7,13  7,00  0,13
ERRORES DE MEDICION
Se pueden dividir en:
• ERRORES HUMANOS
• ERRORES DEL SISTEMA:
• Errores del instrumento
• Errores ambientales
• ERRORES ALEATORIOS
ERRORES HUMANOS
EJEMPLOS:
 Equivocación en la lectura
 Cálculos erróneos
 Selección inadecuada del instrumento.
 Ajuste incorrecto u olvido de ajuste de cero
 No tener en cuenta los efectos de carga
No es posible estimar sus valores matemáticamente
Métodos de eliminación o reducción
 Atención cuidadosa a los detalles cuando se
efectúan mediciones y cálculos.
 Conciencia de las limitaciones del
instrumento.
 Emplear dos o más observadores para tomar
datos críticos.
 Tomar al menos tres lecturas para reducir la
ocurrencia posible de los errores grandes.
 Motivación adecuada acerca de la
importancia de los resultados correctos.
ERRORES DEL INSTRUMENTO
EJEMPLOS.
 Fricción en cojinetes.
 No linealidad de componentes.
 Errores de Calibración.
 Instrumental defectuoso.
 Pérdidas durante la transmisión
Cómo estimarlos:
1.Comparar con un estándar más exacto
2. Determinar si es error constante o es proporcional
Métodos de eliminación o reducción
 Calibración cuidadosa de los instrumentos
 Revisión del equipo para asegurar una operación
adecuada.
 Aplicar factores de corrección después de
encontrar un error instrumental.
 Usar más de un método para medir un parámetro
ERRORES AMBIENTALES
EJEMPLOS:
 Cambios en la temperatura
 Variaciones de humedad y presión.
 Campos eléctricos y magnéticos parásitos
Cómo estimarlos:
1.Vigilancia cuidadosa de cambios en las variables
2. Cálculo de los cambios estimados
Métodos de eliminación o reducción
 Sellar herméticamente el equipo y los
componentes que se estén probando
 Mantener temperatura y humedad constantes
mediante el acondicionamiento de aire
 Resguardar los componentes y el equipo contra
campos magnéticos parásitos (blindaje)
 Empleo de equipo que no se afecte mucho por
cambios ambientales.
ERRORES ALEATORIOS
EJEMPLOS:
 Eventos desconocidos que causan pequeñas
variaciones en las mediciones
 Resultados inexplicables y demasiado al azar.
Cómo estimarlos:
1. Efectuar muchas mediciones y aplicar el análisis
estadístico a las variaciones no explicadas.
Métodos de eliminación o reducción
 Diseño cuidadoso del aparato de medición para
reducir la interferencia.
 Uso de evaluación estadística para calcular la
mejor estimación de las lectura de medición.
En una medición de temperatura del fluido de un
proceso, el valor medido depende de varios factores:
 Tipo de fluido
 Velocidad de flujo
 Tipo de elemento de primario (termopar, termocupla,
bulbo y capilar)
 Del medio de protección (vaina).
Incertidumbre de medición
(uncertainty)
Es la dispersión de los valores que puede ser
atribuida razonablemente al valor verdadero de la
magnitud medida.
En el cálculo de la incertidumbre se deben tener en
cuenta las desviaciones de series de mediciones, las
características del instrumento, de los patrones, de
la calibración, etc.
Exactitud
Es la característica del instrumento de medición de
obtener medidas próximas al valor verdadero.
Usualmente para una serie de mediciones se toma el
valor medio para compararlo con el valor
convencionalmente verdadero.
TOLERANCIA
Determina el rango de valores dentro de los cuales
se encuentra el valor verdadero de la medida. Define
los límites de error que se presentan cuando el
instrumento se utiliza en condiciones normales de
operación
Existen varias maneras de expresar la tolerancia:
 1. Unidades de la magnitud medida: por
ejemplo ± 0,1 mL.
 2. Porcentaje del alcance: para el manómetro
de la figura, si la lectura es de 45 bar y la
tolerancia del instrumento es ± 0,2 % del span:
Precisión
= 0,002 x 60 bar
= 0,12 bar
El valor real de la lectura es
45 bar ± 0,12 bar
3. Porcentaje de la lectura: si el fabricante reporta
una tolerancia de 0,5 % de la lectura, para el caso
anterior sería de ± 0,225 bar.
4. Porcentaje del valor máximo de medida:
ejemplo: tolerancia de ±0,5 % de 60 bar, es decir ±
0,3 bar.
5. Porcentaje de la longitud de la escala: si la
longitud de la escala es de 150 mm, una tolerancia
de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm.
ZONA MUERTA
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la
indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que
no produce respuesta. Se expresa como porcentaje del
alcance.
SENSIBILIDAD
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de
la variable que lo ocasiona. Por ejemplo si en un transmisor
electrónico de 0 – 10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la
señal de salida de 11,9 mA a 12,3 mA, la sensibilidad es:
(12,3  11,9) /( 20  4)
s
 0,5
(5,5  5) / 10
HISTERESIS
Es la diferencia máxima que se observa en los valores
indicados por el índice para el mismo valor
cualquiera del campo de medida, cuando la variable
recorre toda la escala en los dos sentidos,
ascendente y descendente. Se expresa como
porcentaje de la escala de medida
Ejemplo: en un termómetro de 0 – 100 °C,
para el valor de la magnitud de 40 °C, si
marca 39,9 °C al subir la temperatura
desde 0 e indica 40,1 °C al bajar desde
100 °C, el valor de la histéresis es de :
40,1  39,9
H
x100  0,2%
100  0
TERMINOS ADICIONALES
 Campo de medida con elevación de cero: es
aquel en el que el valor de cero de la variable o
señal medida es mayor que el valor inferior del
campo. Por ejemplo, -10 °C a 30 °C.
 Campo de medida con supresión de cero: en el
que el valor de cero de la variable o señal medida es
menor que el valor inferior del campo. Por ejemplo,
10 psi a 100 psi.
 Elevación de cero: es la cantidad con que el valor
de cero de la variable supera el valor inferior del
campo. Puede expresarse como un valor de la
variable medida o en porcentaje del alcance.
 Supresión de cero: es la cantidad con que el valor
inferior de campo supera el valor de cero de la
variable. Puede expresarse como un valor de la
variable medida o en porcentaje del alcance.
 Ruido: cualquier perturbación eléctrica o señal
accidental no deseadas que modifica la transmisión,
indicación o registro de datos-
 Deriva: es una variación en la señal de salida que
se presenta en un período de tiempo determinado
mientras se mantienen constantes la variable medida
y todas las condiciones (magnitudes de influencia).
Se suelen considerar la deriva de cero (variación en
la señal de salida para el valor de cero de la medida
atribuible a cualquier causa interna) y la deriva
térmica de cero (variación en la señal de salida
debida a efectos únicos de la temperatura).
INDICE
INDICE
INSTRUMENTOS ANÁLOGOS
Son aquellos en los que la indicación de la medida
se muestra mediante el desplazamiento de una
aguja sobre una escala graduada.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: el mecanismo
sensor más común que
se
emplea
en
los
amperímetros y voltímetros de corriente continua,
fue desarrollado por D’Arsonval en 1881.
En el mecanismo de D’Arsonval una bobina o
alambre se fija a un eje que gira en dos
cojinetes de joya, en un espacio entre un
núcleo cilíndrico de hierro suave y dos piezas
polares magnéticas. Las piezas polares crean
el campo magnético y el núcleo de hierro
restringe el campo al espacio de aire entre él
y sus piezas polares.
FIGURA 1. Fuerza sobre un conductor que lleva
una corriente en un campo magnético externo.
F=i LXB
El movimiento del dispositivo indicador detecta la Corriente
empleando la fuerza que surge de la interacción de un
campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La
fuerza se emplea para generar un desplazamiento mecánico,
que se mide en una escala calibrada.
F=i LXB
Siendo F la fuerza en newton en el conductor, i es la
corriente en ampere, L la longitud del conductor en
metros y B la densidad del campo magnético en
weber por metro cuadrado.
Al aplicar una corriente a la bobina
suspendida, la fuerza resultante hará que
gire. A este giro se oponen dos resortes. Las
fuerza de los resortes se calibran de modo
que una corriente conocida origine una
rotación de ángulo definido. El puntero del
instrumento muestra la cantidad de rotación
de ángulo conocido. Ver FIGURA 2.
FIGURA 2. Movimiento de D’Arsonval
FIGURA 3. Movimiento de Sistema Electrodinámico
INDICE
INSTRUMENTOS DIGITALES
Estos instrumentos indican la cantidad que esta
siendo medida en una pantalla digital. Algunas
ventajas de los instrumentos digitales son:
Generalmente la exactitud es mayor que en los
análogos.
La lectura es un número definido. Esto permite la
eliminación del error de paralaje.
Son fácilmente acoplables a computadoras o
registradoras.
FUNCIONAMIENTO
El instrumento digital recibe la señal
análoga que está siendo medida, ésta es
sometida a amplificación y posteriormente
es digitalizada mediante un circuito
analógico-digital (A/D), la señal digital se
muestra en una pantalla. En la FIGURA 3
se muestra el diagrama de bloques de un
instrumento digital básico.
Figura 3. Funcionamiento de un instrumento
digital
RESOLUCIÓN
La resolución de un instrumento digital es el
mínimo cambio que puede ser observado en
la lectura del instrumento. Está relacionada
con el número de dígitos de la pantalla y el
rango.
A manera de ejemplo se presenta distintas
resoluciones para un instrumento de 3 ½
dígitos.
Rango
100 mV
1V
10 V
Resolución (instrumento
de 3½ digitos)
LINEALIDAD
Los instrumentos digitales funcionan con conversores
AD, los cuales tienen un comportamiento lineal
apreciable en la manera como se ven los datos.
Debido a esto se hacen pruebas de calibración de
cero, medio rango y punto próximo a fondo de rango
como mínimo, por ejemplo si el rango es de 19,99 V
(20 V), las lecturas deben ser de 0V, 10 V y 19 V.
De acuerdo con lo anterior, tomando los tres puntos descritos y
sabiendo que estos errores están dentro o fuera de tolerancia,
podemos saber si el rango completo cumple con las
especificaciones. A continuación se muestra en la Figura 4 la
respuesta de lectura de un instrumento digital.
Figura 3.
Linealidad de un instrumento digital
Figura 2.
Linealidad de un instrumento digital