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Introducción a los sistemas de medida
1.1. Sistemas de medida
Se define un sistema de medida como un conjunto de elementos cuya
función es la asignación objetiva y empírica de un número a una cualidad o
propiedad de un objeto o evento, de tal forma que la describa. Por tanto, el
resultado de la medida debe ser independiente del observador (objetiva), basado
en alguna experimentación (empírica), y de tal forma que exista una
correspondencia entre las relaciones numéricas y las relaciones de las propiedades
descritas.
En la figura se muestra la estructura general de un sistema de medida y
control. En ella se puede observar como el proceso de la medida incluye, además de
la adquisición de la información por parte de un sensor o transductor, el
procesamiento de la misma y su presentación para que nuestros sentidos puedan
percibir los resultados. Por otro lado, cuando dichas medidas se realizan de manera
remota se requiere la transmisión de la información.
Transductor: Dispositivo que convierte un magnitud física a otra magnitud
física de diferente naturaleza. Las señales pueden ser de seis tipos: mecánicas,
térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y químicas. Por tanto, se considerará
transductor a cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en otro
distinto. Sin embargo, lo normal es que la señal de salida del dispositivo sea una
señal eléctrica. Las ventajas de estos dispositivos electrónicos son las siguientes:
-
-
-
Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un
parámetro no eléctrico viene acompañada de un cambio en un parámetro
eléctrico.
Es relativamente sencillo amplificar señales eléctricas, no tanto así otro
tipo de señales.
Existen muchos tipos de dispositivos, además de los amplificadores, que
permiten modificar y presentar las señales eléctricas (modularlas,
acondicionarlas, presentarlas, registrarlas).
La transmisión de señales eléctricas es más maleable que la de señales
mecánicas, hidráulicas o neumáticas.
Sensor: dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da
una señal de salida que es función de la variable medida.
1.2 Tipos de Sensores:
- Aporte de energía:
- Moduladores: Usan una fuente auxiliar de energía para obtener la
salida del sensor.
- Generadores: El propio sensor genera la señal o energía.
-
Señal de Salida:
o Analógicos: La salida varía de manera continua.
o Digitales: La salida varía en forma de saltos o pasos discretos
-
Modo de Funcionamiento:
o Deflexión: la magnitud a medir produce algún efecto físico que da
lugar a algún efecto similar pero opuesto en el instrumento de
medida, el cual está relacionado con alguna variable útil. En el
caso del dinamómetro es la fuerza del muelle y la fuerza de la
gravedad.
La fuerza es proporcional a la longitud F= k.x
o
Comparación: Se intenta mantener nula la deflexión mediante la
aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la
magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio
para restablecerlo. El ejemplo mas común es la balanza, voy
poniendo pesas hasta que esté en equilibrio.
A pesar de la clasificación anterior, desde el punto de vista de la electrónica es
más útil una clasificación según el parámetro variable del dispositivo utilizado:
resistencia, capacidad, inductancia, generadores de tensión, corriente, etc. En la
tabla 1.1 se recogen diferentes tipos de sensores ordenados según este criterio de
clasificación.
Magnitud
Sensores
Posición
Distancia
Desplazamiento
Resistivos
Potenciómetros
Galgas
Magnetorresistencias
Capacitivos
Condensador
diferencial
Inductivos y
electromagnéticos
LDVT Corrientes
Foucalt Resolver
Inductosyn Efecto
Hall
Velocidad
Aceleración
Vibración
Temperatura
Galgas + masaresorte
RTD
Termistores
Ley Faraday
LVT Efecto
Hall
Corrientes
Foucalt
LVDT + masaresorte
Piezoeléctricos
+ masa-resorte
Codificadores
incrementales y
absolutos
Uniones P-N
Fotoeléctricos
Ultrasonidos
Reflexión
Potenc. +
Tubo
Bourbon
Caudal
Flujo
Anenómetros
de hilo
caliente
Galgas +
voladizo
Termistores
Cond.
variable +
diafragma
Generadores
Digitales
Presión
Codificadores
incrementales
LVDT +
diafragma
Reluctancia
variable +
diafragma
Termopares
Piroeléctricos
Piezoeléctricos
Osciladores de
cuarzo
Codificador
+ tubo
Bourbon
L VDT +
rotámetro
Ley Faraday
Fuerza
Potencióm.
+ flotador
Termistores
LDR
Galgas
Humistor
Cond.
variable
Galgas
capacitivas
Dieléctrico
variable
LVDT +
flotador
Corrientes
Foucalt
Magnetoelástico LVDT
+ célula de
carga
Vórtices
SAW
Fotoeléctricos
Efecto
Doppler
Tiempo
tránsito
Vórtices
Reflexión
Absorción
1.3 Características de los sistemas de medidas
Exactitud: Tiene que ver con la cualidad de un instrumento para que sus
indicaciones se aproximen al verdadero valor de la variable medida. Se entiende
por valor verdadero el que se obtendría haciendo uso de un instrumento ideal o
perfecto. La diferencia entre ese valor verdadero y el resultado mostrado por el
instrumento se denomina error absoluto.
Error Absoluto = Valor medido – Valor Real.
Ejemplo:
Error absoluto = 1V -> 0.1.Vfe
Error relativo =
-
Humedad
Piezoeléctricos
Diodo Transistor
Convertidores
T/I
Efecto
Doppler
Nivel
error absoluto
valor verdadero
Fidelidad: (precisión) caracteriza la capacidad de un instrumento de
medida para dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias
veces en unas condiciones determinadas. Por tanto, que un instrumento
no tenga una gran exactitud no quiere decir que no sean fiables sus
medidas.
Es más exacto
Es más Fiel
-
Repetibilidad: La Repetibilidad se refiere al mismo hecho que la
fidelidad, pero cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo
corto. De manera cuantitativa, se especifica como la diferencia en valor
absoluto de dos resultados individuales obtenidos en las condiciones
anteriores para una probabilidad dada (se suele tomar del 95%). por
ejemplo que el 95% de los casos no supera a 0,1V.
-
Reproducibilidad: Se refiere al mismo hecho pero a largo plazo o ante
condiciones diferentes de medida.
-
Sensibilidad o Factor de Escala: Es la pendiente de la curva de
calibración, que puede ser o no constante a lo largo de la escala de
medida. Así, para un sensor cuya salida esté relacionada con la entrada x
mediante la ecuación y = f(x), se tiene que la sensibilidad en el punto xa,
S(xa), es:
S=
dF ( x )
x = xa
dx
En los sensores interesa tener una sensibilidad alta y, si es posible, constante. En
este caso, se dice que el sensor es lineal o presenta una respuesta lineal.
-
-
Linealidad: Tiene que ver con el grado de coincidencia entre la curva de
calibración y una línea recta determinada. (es cuando la sensibilidad es
cte).
Error de carga: Tiene que ver con las perturbaciones sobre la variable a
medir durante el proceso de medida. Esto es, todo sensor perturba, en
mayor o menor medida, la variable a medir y, por tanto, la magnitud
medida estará en parte alterada debido a la presencia de éste.
-
Impedancia de entrada de un sensor:
o Variable esfuerzo (X1): Se mide entre 2 puntos y la impedancia
debe ser infinita. Ejm tensión eléctrica
o Variable Flujo X2 : Sólo se mide en un punto y la impedancia del
instrumento debe ser 0. ejem Corriente eléctrica.
Impedancia del Sensor: Z ( s) =
X1
X2
2 Sensores Resistivos:
2.1 El potenciómetro: sensor resistivo de dos terminales en el que uno es
móvil.
lL
A
l = resistividad
L = longitud
A = area(seccion trasnversal)
l
R = ( L − x)
A
R0 =
Si calculamos la fracción de longitud nos queda:
x
L
R = R0 (1 − α )
α=
2.2 Galgas extensométricas:
R =
lL
A
#Derivamos y aplicamos logaritmos:
dR dl dL dA
=
+
−
l
R
L
A
# Por la ley de Hooke tenemos:
σ=
F
= Kε
A
ε = micodeformacion =
dl
l
K = modulo de Young
Si tiro de la galga por F ésta se encoge y se alarga
dt
dL
= −µ
t
L
µ = Coef de Poisson
Sección transversal circular:
A=
π t2
4
(π r 2 ) =
LnA = Ln
π
4
πd 2
4
+ Ln t 2
dA
dt
dL
=2
= −2 µ
A
t
L
Por el caso de los metales, por su efecto piezoresistivo
dρ
ρ
donde C = Cte de Bridguen
=C
dv
v
Para un conductor:
V = AxL
dV dA dL
=
V
A L
(1 − 2 µ )
dL
L
dR
dL
= [C (1 − 2 µ ) + (1 + 2 µ )]
= Kε
R
L
K = [C (1 − 2 µ ) + (1 + 2 µ )]
K = factor de sensibilidad
Para cambios pequeños ->
∆R
= kε
R0
R − R0
= kε
R0
R = R0 (1 + kε )
R = R0 (1 + x )
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