Introducción a la instrumentación
¿Qué es medir?
Medir es el acto de averiguar la magnitud de una variable desconocida. Dicha magnitud tiene asociada una unidad de medida.
La unidades de medida nos ha servido para ponernos de acuerdo en cuanto mide algo. En sus inicio se usaban medidas relacionadas a partes del cuerpo como la mano, el cubito, el torso o el pie, siendo esta última aún utilizada por culturas anglosajonas. Dada la variabilidad del tamaño de las partes del cuerpo, se desarrollo la primera unidad estándar, el metro, definido inicialmente como $10^{-7}$ veces el cuadrante polar de la tierra. En la mayor parte del mundo se usa el SI (sistema internacional).
Sistema de medida
Un sistema de medida puede ser un elemento tan sencillo como uno que nos arroja la lectura o la señal de la magnitud de una variable desconocida (mesurando). Sin embargo los sistemas actuales son más complejos y presenta múltiples elementos que se presentan a continuación:
Los podemos describir así:
- sensor
- es el primer elemento de un sistema de medida, entrega una salida que es proporcional al “mesurando”.
- conversor
- transforma la salida del sensor en un cantidad física más fácil de capturar.
- procesador
- el procesador de señal, mejora la calidad de la señal.
- transmisor
- envía la señal.
- salida
- la salida de un sistema de medida se puede presentar como un display o un elemento que la registra. En algunos casos esté elemento no se usa, ya que la señal se transmite directamente al sistema de control.
Aplicaciones de los sistema de medida
Existen tres áreas principales en la cuales los sistemas de medida son usados:
- En comercio (ejemplo, una onza de oro).
- En monitoreo.
- En control.
Tipos de instrumentos
Un sinónimo de sistema es instrumento. Los instrumentos de medida se puede clasificar en las siguientes categorías binaria.
- Pasivo vs activo
- Deflexión vs balance
- Análogo vs digital
- Indicadores vs señal de salida
- Inteligente vs no-inteligente
Características estáticas
A la hora de buscar sensores para nuestra necesidad debemos considerar múltiples factores entre ellos, el costo, la vida útil, el mantenimiento del sensor y su desempeño. Para comparar el desempeño de dos sensores que miden la misma variable, deberemos analizar sus características estáticas, las principales son:
Exactitud
La exactitud de un sensor está dada por que tan cerca del valor real el sensor reporta valores. Una calibración del sensor lo puede en algunos casos volverlo más exacto.
Precisión/Repetibilidad/Reproducibilidad
La precisión a veces confundida con la exactitud, indica que tan dispersos son los valores que tienen diferentes medidas del sensor. Para un sensor preciso esta medida podrían no estar dispersas y entregar el mismo valor en repetidas ocasiones sin embargo este sensor podría ser inexacto ya que la medida del sensor se aleja del valor real del mesurando.
La repetibilidad nos indica que tan cerca se encuentran entre si medidas consecutivas en un periodo corto de tiempo bajo las mismas condiciones de sensor, ubicación, entorno y usuario.
La reproducibilida nos indica de tan cerca se encuentran entre si medidas con el mismo sensor en condiciones diferentes.
En la siguiente imagen podemos ver ejemplos de diferente valores de exactitud y precisión para un “sensor”.
Tolerancia
Aunque es un termino relacionado con proceso de fabricación, ya que por los errores que ocurren en este proceso se generan variaciones en un conjunto de sensores, se asocia con la exactitud del sensor.
Rango
El rango se compone normalmente de dos valores que representan la cantidad mínima y máxima que el sensor logra medir en términos de el mesurando.
Linealidad
Es deseado que la relación entre la señal de salida del sensor y el mesurando sea lineal. En los datos técnicos este valor aparece como la no-linealidad, dada en porcentaje y representa la desviación máxima que existe entre una regresión lineal (ver imagen a continuación) y los datos de calibración.
Sensibilidad a la medida
La sensibilidad de la medida es simplemente la relación o pendiente de la curva entre la señal de salida y variable de entrada. Ejemplo para un sensor de temperatura $T(t)$ con señal de salida en voltios $V(t)$ :
\[V(t) = S\times T(t) + V_0\]donde $S$ es la sensibilidad y $V_0$ es un voltaje residual en el sensor para $T=0$
Limite de mínimo de medida (threshold)
Ciertos sensores tiene un valor mínimo de salida, antes de este no muestran ningún signo de vida. Por ejemplo para algunos vehículos el tacómetro que indica la velocidad en $km/h$ tiene un limite mínimo de $15\,km/h$ es decir que para valores inferiores a este el indicador mostrará $0\,km/h$, así la velocidad del vehículo esté entre $0-15\,km/h$
Resolución
Esta característica esta relacionada con la señal de salida o el indicador usado y es el cambio mínimo observable en la salida por cambio en la variable de entrada. Usando el ejemplo del vehículo, el tacómetro tiene marcas cada $5\,km/h$ luego la resolución de este instrumento será de $5\,km/h$.
Sensibilidad a perturbaciones
Las características de un sensor son medidas y calibrabas en condiciones controladas. Cuando el sensor se usa en otras condiciones algunas de sus características se ven afectadas, entre ellas la curva de sensibilidad, la cual se puede ver afectada de tres formas:
- (a) Que se mueva el cero.
- (b) Que cambie la sensibilidad.
- (c) Que cambien ambas.
Efecto de histeresis
El efecto de histeresis aparece cuando medimos subidas y bajadas de la magnitud medida. Mientras la magnitud sube las medidas son unas (curva A) y mientras la magnitud baja las medidas son otras (curva B).
Espacio muerto
Es un rango de valores en el que la señal de salida no se ve afectada por cambios en la variable de entrada.
Características dinámicas
Las características dinámicas de un sensor están relacionadas con su modelo matemático y el orden de este. Podemos entonces tener sensores de orden cero, primer orden, segundo orden, el comportamiento dinámico del sensor responderá a su función de transferencia.
¿Qué es un actuador?
Un actuador en términos sencillos es un elemento que nos permite modificar el entorno. En la actualidad la mayor parte de actuadores tomar una señal eléctrica como entrada y devuelven una respuesta proporcional a dicha entrada.
Referencias
- Capítuo 1 y 2 de Alan S. Morris y Reza Langari (2011). Measurement and Instrumentation: Theory and Application.