Materia: Instrumentación y Adquisición de Datos

UNIDAD I. Sistemas de Adquisición de Datos

Catedrático: M. Sc. José Martín Álvarez Hernández

1.1 Sensores y transductores.

1.2 Tipos de señales.

1.3 Conversión y acondicionamiento de señales.

1.4 Adquisición de datos como un sistema.

1.5 Flujo de información en el sistema.

1.6 Instrumentos de medición.

Instrumentación: es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.

Un Instrumento es un dispositivo para determinar el valor o magnitud de una cantidad o variable. El instrumento más conocido y utilizado es el reloj, el cuál nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo.

Diagrama de bloques de la instrumentación industrial.

Central Nuclear Central Hidroeléctrica

De acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las características de mayor importancia son:

CAMPO DE MEDIDA O RANGO (RANGE)

Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 grados celsius. Espectro o conjunto de valores de la variable de medida que están comprendidas dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

ALCANCE (SPAN)

Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Para el caso del termómetro del ejemplo, el SPAN será de 50 grados celsius.

ERROR

Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

Los errores pueden prevenir de diferentes fuentes y normalmente se clasifican bajo tres categorías principales:

· Errores brutos: comprenden los errores humanos, tales como mala lectura de los instrumentos, ajuste incorrecto y aplicación inapropiada de ellos y errores de computo.

·Errores sistemáticos: provienen de los instrumentos, tal como el desgaste o defecto de ellos y los efectos del medio ambiente en el equipo.

·Errores al azar: aquellos debidos a causas que no se pueden establecer directamente debido a variaciones al azar en el parámetro o en el sistema de medición.

Cuatro observadores tomaron un conjunto de mediciones independientes de voltaje y registraron como: 117.02V; 117.11V; 117.08V y 117.03V. Calcule A) el voltaje promedio y B) el rango del error.

𝑎) 𝐸𝑎𝑣 =𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + 𝐸4

𝑁

=117.02 + 117.11 + 117.08 + 117.03

4= 117.06𝑉

𝑏) 𝑅𝑎𝑛𝑔𝑜 = 𝐸𝑚á𝑥 − 𝐸𝑎𝑣 = 117.11 − 117.06 = 0.05𝑉 𝐸𝑎𝑣 − 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 117.06 − 117.02 = 0.04𝑉

El rango promedio del error equivale a: 0.05 + 0.04

2= ±0.045 = ±0.05𝑉

Esto es la diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el máximo estímulo de entrada y el mínimo estímulo de entrada. Esto debe incluir toda desviación de la función de transferencia lineal. En la figura SFS es la escala completa de salida.

EXACTITUD (o inexactitud, ‘accuracy’)

En las especificaciones de un sensor, esto realmente quiere decir falta de exactitud. Está es la razón de la máxima desviación de un valor representado por el sensor con respecto al valor ideal. Normalmente este valor se da en %.

EJEMPLO: Un sensor de desplazamiento lineal idealmente debería generar 1mV por 1mm de desplazamiento. Sin embargo, en un experimento, un desplazamiento de 10mm produjo una salida de 10.5 mV. Considerando sólo este valor de mV se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10.5 mm que es 0.5 mm más que la realidad. Esta desviación indica una exactitud (o falte de) de 5%. A el valor de la desviación se le llama error.

Lo que debería ser Lo que es Por lo tanto:

1𝑚𝑉 → 1𝑚𝑚 10𝑚𝑉 → 10𝑚𝑚

10.5𝑚𝑉 → 10𝑚𝑚 ¿ ? → 1𝑚𝑚

𝑉 =10.5𝑚𝑉 1𝑚𝑚

10𝑚𝑚= 1.05𝑚𝑉

10.5𝑚𝑉 → 10𝑚𝑚 1.05𝑚𝑉 → 1𝑚𝑚

Porcentaje del error: 1.05𝑚𝑉 − 1𝑚𝑉 100% = 0.05 ∗ 100 = 5%

PRECISIÓN

Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del SPAN. La precisión de un instrumento indica su capacidad para reproducir cierta lectura con una exactitud dada.

EJEMPLO: Se está midiendo un voltaje conocido de 100V. Se toman 5 lecturas con cierto voltímetro y los valores encontrados son 104, 103, 105, 103, 105. Dadas estas lecturas, cuál es la exactitud y cuál es la precisión del instrumento.

Exactitud Lo que es Por lo tanto:

𝐸𝑚á𝑥 − 𝐸𝐶𝑜𝑛𝑜𝑐𝑖𝑑𝑜 = 105𝑉 − 100𝑉 = 5𝑉

100𝑉 → 100% 5𝑉 →¿ ?

%=5𝑉 100%

100𝑉= 5%

100𝑉 → 100% 5𝑉 → 5%

La Exactitud es: 5%

R. Ya que la desviación máxima del instrumento es 5V de la entrada real de 100V, se tiene una exactitud de 5%. La precisión del instrumento la da la desviación máxima de la media de las lecturas, en este caso, ±1%.

Precisión Lo que es Por lo tanto:

𝐸𝑎𝑣 =𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + 𝐸4

𝑁 =

104𝑉 + 103𝑉 + 105𝑉 + 103𝑉 + 105𝑉

5= 104𝑉

Promedio->104V

𝑅𝑎𝑛𝑔𝑜 = 𝐸𝑚á𝑥 − 𝐸𝑎𝑣

𝐸𝑎𝑣 − 𝐸𝑚𝑖𝑛

= 105𝑉 − 104𝑉 = 1𝑉

= 104𝑉 − 103𝑉 = 1𝑉

La Precisión es: 1𝑉 + 1𝑉

2= 1𝑉 = 1%

100𝑉 → 100% 1𝑉 → 1%

ZONA MUERTA (DEAD BAND)

Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control. Es el área de valores de la variable que no hace variar la indicación del instrumento.

SATURACIÓN

Es el área en la cual el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.

SENSIBILIDAD

Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.

REPETIBILIDAD

Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de medición.

HISTERESIS

Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuara en ambas direcciones. Un error de histéresis es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto específico de la señal de entrada. Cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas

EJEMPLO: Un termómetro de 49° C

en un objeto de 50° C cuando el objeto

pasa de más frío a más caliente

y 51° C cuando pasa de caliente a

más frío.

Clasificación de los instrumentos de medición.

Los tipos de sensores que utilizan los instrumentos de medición, sus características importantes y el funcionamiento.

bibliografía http://www.sapiensman.com/control_automatico/con

trol_automatico7.htm

http://es.slideshare.net/albertojeca/clasificacion-de-instrumentos-de-medicion

David, W., 1986. Instrumentación Electrónica y Mediciones. Prentice-Hall Inc. México, D.F.