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Instrumentación electrónica: Introducción




Enviado por Pablo Turmero



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    1.1 Sistema de medida (1)
    Función: asignación objetiva y empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto o evento

    Aplicaciones:
    Supervisión y diagnóstico de procesos
    Control de procesos
    Ingeniería experimental (diseño de prototipos, …)

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    1.1 Sistema de medida (2)
    Estructura de un sistema de medida y control:
    Sensor
    Acondicionador
    Transmisión
    de datos
    Alarmas
    Presentación
    Supervisor
    Controlador
    Transmisión
    de órdenes
    Acondicionador
    Accionamiento
    (Gp:) Sistema, planta
    o proceso

    control manual

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    1.1 Transductores, sensores y accionam.
    Transductor: convierte una señal de una forma física a otra distinta, generalmente eléctrica.

    Sensor: a partir de la energía del medio donde se mide, genera una señal de salida transducible que es función de la variable medida = transductor de entrada

    Accionamiento: transductor de salida

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    1.1 Acondicionamiento de señales
    Acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores: convierten la señal de salida de un sensor electrónico en una señal apta para ser presentada, registrada o procesada (por ej. A/D).

    Funciones:
    Amplificación
    Filtrado
    Adaptación de impedancias
    Modulación y demodulación

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    1.2 Tipos de sensores (1)
    Clasificación de sensores:

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    1.2 Tipos de sensores (2)
    Aporte de energía:

    Moduladores: la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de alimentación auxiliar

    Generadores: la energía de la señal de salida es suministrada por la entrada

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    1.2 Tipos de sensores (3)
    Modo de operación:

    De deflexión: la magnitud medida produce un efecto físico relacionado con alguna variable útil (ej. muelle para la medida de fuerzas)

    De comparación: se intenta anular la deflexión mediante la aplicación de un efecto conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Es necesario un detector de desequilibrio y un medio para restablecerlo (ej. balanza manual) ? más exacto pero peor respuesta dinámica

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    1.2 Tipos de sensores (4)

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    1.3 Características estáticas (1)
    Exactitud o precisión:
    Capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida
    Se determina mediante calibración estática a partir de un patrón de referencia al menos 10 veces más exacto que el sensor que se calibra
    (Gp:) Valor real
    (Gp:) Valor medido
    (Gp:) Curva de calibración
    (Gp:) Curva teórica
    (Gp:) Error
    (Gp:) Curva real

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    1.3 Características estáticas (2)
    Medidas de error:

    Error = Valor medido – Valor real

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    1.3 Características estáticas (3)
    Medidas de error (cont.):

    Ejemplo: Sensor de posición de clase 0.2 y alcance 10 mm ? error inferior a 20 mm en el rango de medida

    Las medidas han de expresarse de forma coherente con la precisión de los aparatos de medida:
    20ºC ? 1ºC OK
    20ºC ? 0.1ºC ?
    20.5ºC ? 1ºC ?

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    1.3 Características estáticas (4)
    Fidelidad:
    Capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida al medir varias veces en unas mismas condiciones determinadas
    Fidelidad: condición necesaria pero no suficiente para exactitud:

    Repetibilidad:
    Fidelidad cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto. Cuantitativamente es el percentil del 95% de la diferencia entre dos resultados individuales (si no se indica otro como el 99%)

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    1.3 Características estáticas (5)
    Deriva:
    Variación de la salida a lo largo del tiempo
    Deriva de cero: variación de la salida con entrada nula
    Deriva del factor de escala: variación de la sensibilidad

    Sensibilidad o factor de escala:
    Pendiente de la curva de calibración
    Puede ser constante o no a lo largo de la escala de medida

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    1.3 Características estáticas (6)
    Ejemplo:

    En los sensores interesa tener una sensibilidad alta y constante:

    (Gp:) Valor real
    (Gp:) Valor medido
    (Gp:) Curva de calibración

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    1.3 Características estáticas (7)
    Linealidad: grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada:
    (Gp:) Independiente: por
    mínimos cuadrados
    (Gp:) Ajustada al cero: por
    mínimos cuadrados pero
    pasando por el origen
    (Gp:) Terminal: recta que une la
    salida sin entrada y la salida
    teórica máxima
    (Gp:) Extremos: recta
    que une los extremos
    (Gp:) Teórica: característica
    teórica de diseño

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    1.3 Características estáticas (8)
    Linealidad (cont.):
    La linealidad facilita la conversión a unidades físicas de la medida
    Con la utilización de microprocesadores puede interesar más la repetibilidad que la linealidad

    Resolución: incremento mínimo de la entrada que produce un cambio detectable en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce desde cero se habla de umbral

    Histéresis: diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en la que se alcance
    (Gp:) Valor real
    (Gp:) Valor medido
    (Gp:) Curva de calibración

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    1.3 Características estáticas (9)
    Errores aleatorios y sistemáticos:

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    1.3 Características estáticas (9)
    Errores aleatorios y sistemáticos (cont.):

    Los errores sistemáticos se pueden corregir mediante calibración y analizando el procedimiento de medida

    Los errores aleatorios se corrigen promediando varias medidas realizadas en las mismas condiciones (teorema del límite)

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    1.4 Características dinámicas (1)
    La presencia de inercias (masas, inductancias,…), capacidades (eléctricas, térmicas, …) y en general elementos que almacenen energía hace que la respuesta de un sensor a señales de entrada variables en el tiempo sea distinta a la descrita por su característica estática

    Error dinámico: diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error estático

    Velocidad de respuesta: indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios de la variable de entrada. Puede ser un aspecto importante en sistemas de control

    Para describir el comportamiento dinámico de un sensor se utiliza su función de transferencia ? sistemas lineales

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    1.4 Características dinámicas (2)
    Sistemas de medida de orden cero:
    y(t) = k x(t)

    El sistema queda caracterizado por su sensibilidad (constante) k
    El error dinámico es nulo
    El retardo es nulo
    Es necesario que el sensor no incluya ningún elemento que almacene energía
    Ejemplo: potenciómetros para la medida de desplazamiento
    (Gp:) E
    (Gp:) x=xM
    (Gp:) x=0
    (Gp:) x
    (Gp:) +
    y

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    1.4 Características dinámicas (3)
    Sistemas de medida de primer orden:

    Sensibilidad estática:

    Constante de tiempo:

    Pulsación propia:

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    1.4 Características dinámicas (4)
    Sistemas de medida de primer orden (cont.):

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    1.4 Características dinámicas (5)
    Sistemas de medida de primer orden (cont.):

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    1.4 Características dinámicas (6)
    Sistemas de medida de primer orden (cont.):
    Ejemplo: termómetro basado en elemento de masa M (kg), calor específico Cp (J/(kg K)), área de transmisión de calor A y coeficiente de transmisión de calor por convección h (W/(m2K))

    Calor de entrada – Calor de salida = Calor acumulado

    siendo Te la temperatura externa, Ti la temperatura interna del sensor y suponiendo que no se pierde calor por los hilos de conexión
    Queda:

    Capacidad calorífica
    Resistencia a la
    transmisión de calor

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