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,
…)
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
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
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
1.2 Tipos de sensores (1) Clasificación de sensores:
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
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
1.2 Tipos de sensores (4)
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
1.3 Características estáticas (2) Medidas de error:
Error = Valor medido – Valor real
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 ?
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%)
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
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
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
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
1.3 Características estáticas (9) Errores
aleatorios y sistemáticos:
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)
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
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
–
1.4 Características dinámicas (3) Sistemas de
medida de primer orden: Sensibilidad estática: Constante
de tiempo: Pulsación propia:
1.4 Características dinámicas (4) Sistemas de
medida de primer orden (cont.):
1.4 Características dinámicas (5) Sistemas de
medida de primer orden (cont.):
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