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Mesurandos, mediciones,…, instrumentos

Tutorial por Jorge Márquez

1 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez

Mesurando:

de un objeto o fenómeno. una propiedad, rasgo o estado una cantidad que caracteriza

Notar las relaciones entre los términos subrayados; un mesurando es externo a un instrumento de medición (aunque puede provenir de otro instrumento); puede ser la respuesta a un estímulo externo al objeto o fenómeno en cuestión o es una propiedad intrínseca (e.g., el tamaño del objeto, su color, la duración del fenómeno, etc.), o caracteriza un estado del objeto (su temperatura, presión interna, edad, el número de elementos de alguna propiedad, etc.). A menudo, por simplicidad se llama mesurando a la propiedad, rasgo o estado de interés, o sea: aquello que se quiere medir.


Medición:

de un objeto o fenómeno .

que caracteriza

Procedimiento realizado por un observador para obtener, deducir o estimar una cantidad

una propiedad, rasgo o estado

A menudo se simplifica el uso del término y la cantidad obtenida es llamada “medición” ( autonomasia).

Notar las relaciones entre los términos subrayados y que, entre observador y objeto (observado) existe una interfaz (el sensor, por ejemplo) que cuenta con una ventana o apertura finita (temporal, espacial, energética), que a su vez está caracterizada por una función de dispersión puntual (PSF: Point Spread Function -por definir).


Instrumento : Dispositivo o conjunto de dispositivos coordinados que reciben y transforman datos o señales en una o más dimensiones usualmente con el objetivo último de medir alguna característica y/o trasladar al dominio y alcance de los sentidos humanos algún aspecto de la información de entrada (mesurando).

También puede servir para generar señales o información, o tener un efecto físico, controlado y preciso (generar un flujo, modificarlo o regularlo; ejercer una cierta fuerza o control en una máquina, etc.). Del mismo modo, un instrumento puede además manipular, procesar y analizar energía, señales o información en general.

Esta definición se refiere a instrumentos de medición y/o monitoreo (fuente: Oxford English Dictionary (OED))

(de medición):


Componentes de un Instrumento (de Medición) Información Mesurando(s) (entrada o a veces estímulo)

Sensor

(= Transductor)

-Muestra -Señal -Imagen nD

(A)condiciona-miento

y/o procesamiento

de señal y/o

reducción de datos

Despliegue o presentación

de datos o resultados

Cantidad asociada a un fenómeno físico, fisiológico, químico, etc. Rasgo, propiedad o condición en un sistema, objeto, ser vivo, fenómeno físico,… u otro instrumento Respuesta a un estímulo externo

Abertura finita + filtro

~“proyección” del mesurando en elementos del instrumento (conversión a cantidad eléctrica) Captura o muestreo

Conversión entre ≠’s formas de energía

mecánica a eléctrica, química a térmica, vibracional a fotónica, angular a lineal, cinética a potencial, acústica a luminosa, etc. Principios transductivos: Efectos fotoeléctrico, piezoeléctrico, inductivo, termorresistivo, fotoacústico, fotoquímico, termoeléctrico, de dínamo, piezorresistivo, Hall, etc.

-Filtrado específico -Amplificación --Acoplamiento de impedancias -(Conversión A/D)

y

ANALISIS: -Extracción de información -Identificación de patrones -MEDICION

Interfaz (HMI, GUI) con -Usuario -Operador -Otro instrumento

(transmisión, almacenamiento, recepción, señal de estímulo o de control)


(Izquierda) entrada (mesurando: presión), (centro y derecha) respuesta (salida, señal medida) de un instrumento de segundo orden.

Notar el transiente (sobretiro) y el retardo: lo medido no es idéntico al mesurando 6 Instrumentacion y Señales 2014

CCADET-UNAM Jorge Marquez

Instrumentación

Experimentación Medición

Procesamiento y Análisis de

Señales

Generación de Señales Control

Actuadores

Despliegue de datosGraficación

Modelos simulación

Transmisión de Información

Cálculo y computación

Herramientas Dispositivos

Equipos

comunicaciones almacenamiento

Estadística Análisis de errores

Acústica

Experimentación Medición Procesamiento

y Análisis de Señales sonoras

Generación de Señales sonoras Lenguaje verbal

Análisis espectral

Control de ruido Ecología

Ondas

Vibraciones mecánicas

Audición recintos

Música e instrumentos musicales

Ecos cámaras anecoicas

Ultrasonido Doppler

Electrónica

Imágenes 2D-3D

Experimentación Medición Procesamiento

y Análisis de Señales

Síntesis de imágenes 3D Animación

digital

Artes Plásticas Color - pigmentos

Despliegue de datos Graficación

Modelos 3D simulación

Video Cinematografía

Optica y optoelectrónica

Herramientas Dispositivos

Equipos

Semiología de la imagen

Microscopia

Ultrasonido

Resonancia Magnétic

Textura Física de Superficies

Visión humana - cognición

Perceptible output Output

display

Control And feedback

Signal processing

Data transmission

Data storage

Variable Conversion element

Sensor

Primary Sensing element

Measurand

Calibration signal

Radiation, electric current, or other applied energy

Power source

Figure 1.1 (del Webster) Generalized instrumentation system The sensor converts energy or information from the measurand to another form (usually electric). This signal is the processed and displayed so that humans can perceive the information.

Elements and connections shown by dashed lines are optional for some applications. 11 Instrumentacion y Señales 2014


Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez

12

*Figure 1.2 Simplified electrocardiographic recording system Two possible interfering inputs are stray magnetic fields and capacitively coupled noise. Orientation of patient cables and changes in

electrode-skin impedance are two possible modifying inputs. Z1 and Z2 represent the electrode-skin interface impedances.

Electrodes

60-Hz AC magnetic field

Displacement currents

Differential amplifier

+

−

+Vcc

-Vcc

Z1 Zbody

Z2

vo

vecg


Medical Imaging


14

Input stimuli Light (coherent) EM-field

Radiation:

ν x-ray α,β,γ e− e+

Ultrasound Labelled probes Contrast agents Biochemical signals Electric signals Mechanical signals Cognitive activity

Endoscopy, keratopography, thermography Moiré-pattern imaging, polarography Microscopies (confocal, multi-photon, ... Radiography, Fluoroscopy, CT, axial, spiral Contrast angiography, dynam. MR-angio. NMRI, nuclear medicine, functional NMR Scintigraphy, gamma-camera,... TEM, SEM, synchrotron EM, PET, SPECT Flow, tensor, parametric imaging US mode A,b, Doppler, Time-of-flight Diffusion / perfusion imaging Impedance tomography, cardiography Magnetoelectroencephalography map ... ... . . .

Multidimensional Information N-dimensional reconstruction

Processing, Analysis Quantification, Visualization

Interpretation Diagnosis

DataBase of Atlases and Phantoms

Mapping & registration Inter-comparison Ground truth & reference DBs: anatomical, functional, Simulation

(Scientific) Imaging


15

Energy, Information or Stimuli

Interaction

Image Formation (Physics)

Sensors Acquisition

Image Production (Technology)

Multidimensional Information Processing, Analysis Not always man-induced

entrada del medio (si hay) I

Sistema S, fenómeno,… otro instrumento

mesurandos

Instrumento de medición observación o monitoreo

S

Instrumento generador de señales

salida al medio

Cuatro Casos

Instrumento generador de estímulos o para modificar o manipular a S

respuesta (si hay) S

… o de control a lazo abierto


salida

Instrumento de control a lazo cerrado

mesurandos

entrada de control

S

I

I

I


17

Instrumentos

I

Observadores y sujetos observados (humanos)

O2 O1

S Observadores

. . . . . .

Sujeto

Comunicación / códigos / lenguajes Flujos/esfuerzos (acciones / observaciones) Interconectividad e interacción

Posible feedback

Retroalimentación (feedback) Negativa

x y Gd

Hf

+ -

y = Gd x y = Gd (x – Hf y)

Gd

(1 + Hf Gd ) y = x

entrada salida

Gd función de transferencia = ganancia

a lazo abierto

a lazo cerrado

función de feedback


Retroalimentación (feedback) Negativa

X(jω) Y(jω) Gd(jω)

Hf (jω)

+ -

Y = Gd X Y = Gd (X – Hf Y)

Gd

(1 + Hf Gd ) Y = X

entrada salida

Gd (jω) función de transferencia en frecuencia = ganancia compleja

a lazo abierto

a lazo cerrado

función de feedback


x y + +

y2

Retroalimentación múltiple o iterada

Retroalimentación cruzada

Modelo de programación extrema Circuito lógico “flip-flop” (switch) 20 Instrumentacion y Señales 2014


Retroalimentación anidada o fractal

x +

y +


+ +

Multiple Serial Feedback

y g1 g2 g3

x +

f32

Process recursion

g4 +

+ f21 f41

+


23

(or activation function)

Procesador básico (modelo de neurona) de n entradas

1

n

ij ijnet w x= ∑

Multilayer perceptron with two hidden layers

Inputlayer

Firsthiddenlayer

Secondhiddenlayer

Outputlayer

I n p

u t

S

i g

n a

l

s

O u

t p

u t

S

i g

n

a l s

Three-layer back-propagation neural network

Inputlayer

xi

x1

x2

xn

1

2

i

n

Outputlayer

1

2

k

l

yk

y1

y2

yl

Input signals

Error signals

wjk

Hiddenlayer

wij

1

2

j

m

Closed-loop control system

x y Forward element

Feedback element

+

system dynamics

- output

actuating signal

Reference selector

command input

reference input

feedback signal

control parameters


Sistema, “planta” o proceso a controlar


Aquí “sensor” es un instrumento de medición/monitoreo

“Referencia” es la salida deseada del sistema controlado

El “error” es la diferencia entre la salida medida y la referencia deseada


29

Registramos “las intensidades” (= valores del atributo intensidad):

Las mediciones son un tipo de observación (cuantitativa)

Medimos el valor del atributo "intensidad" (=mesurando),

Obtenemos una medición que llamamos “intensidad”,

Suponemos que tal “intensidad” coincide con el valor real del mesurando original (y sigue siendo un atributo),

(información = dato “−” ruido)

son datos de los que extraemos información y conocimiento, descartando

lo que no interesa (ruido):


30

Observaciones

Observador “Mundo Real”, sistemas,

mesurandos

Instrumentos

Instrumentos

Modelos Necesidades y problemas

Los instrumentos (y dispositivos), junto con los sentidos, son medios de interacción de un observador con el mundo real (incluyendo al propio observador e instrumentos), ayudan a satisfacer necesidades, resolver problemas y hacer representaciones y modelos del mundo, además de modificarlo y construirlo, en base a conocimientos, teorías y experiencias.

Acciones Instrumentos Acciones y modificaciones

conocimientos

“ ”: Flujos y esfuerzos, energía e información

experiencias


31

*Flujos y esfuerzos Ejemplos de Flujos: corriente de cargas elétricas, de

líquidos, de polvo, de piedras; flujo magnético, calorífico, de luz, de símbolos, palabras, conceptos, bits; cambios en: la posición de un objeto (distancia), velocidad o aceleración, ídem angulares; oscilaciones, flujo molar, concentración química, transferencia de potencia, fonones,…

Ejemplos de Esfuerzos: fuerzas, torcas, potencial eléctrico

(voltaje), gravitacional, presión, atracción o repulsión magnética, diferencia de temperaturas, potencial químico, mando (orden), imperativos,…

Impedancia (generalizada): La oposición (+/-) a un flujo o a un esfuerzo Ejemplos: resistencia, fricción, inercia, rigidez, reactancias,

buffers, opacidad, permeabilidad (magnética) amortiguamiento, capacidad calorífica, reluctancia magnética,…

Modelo lineal de efectos que alteran una medición (…en sistemas lineales invariantes a corrimiento)


xin : Entrada (mesurando; dato, señal, vector, imagen, estímulo, etc).

xobs : Observación (lo medido, lo muestreado, la respuesta)

xobs = xin * ψ + η ψ PSF del sensor (Función de Dispersión Puntual - abertura)

η Ruido aditivo en espacio de xobs (sensor)

* Operación de convolución, dominio de xin ε = “xobs – xin” error diferencial por degradación (simplificación a

mismos espacios).

η Incluye ruido en xin pues podemos tener η = η’ + ηin* ψ Normalmente se conoce xobs, acaso ψ y quizás algunas propiedades de η

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