SENSORES DIGITALES

SENSORES DIGITALES

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Se distingue aquí dos tipos de sensores digitales. Los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autoresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para ofrecer la señal digital deseada. Se diferencia delos osciladores variables en que estos últimos incorporan un sensor modulador en un oscilador, mientras ahora se trata de un oscilador no electrónico del que se mide una de las variables mediante un sensor modulador. Una excepción son los termómetros digitales de cuarzo, que emplean un sensor generador.

CODIFICADORES DE POSICIÓN:

Codificadores increméntales
En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una prioridad que las diferencia, dispuesta de forma alternativa y equidistante, De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida si se detecta dicha prioridad cambiante con la posición mediante un dispositivo o cabezal de lectura fijo. La resolución, de un sensor angular, dada como número de impulsos de salida, es

donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.

La simplicidad y economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de inconvenientes que conviene señalar. En primer lugar, la información sobre la posición se pierde en cuanto falta la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interfaces fuertes. En segundo lugar, es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador; y en tercer lugar, no permite detectar el sentido de avance.Las propiedades empleadas para la diferenciación de los sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas.

La salida básica suele ser en forma de un tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.

magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no deflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un foto detector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor)Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un foto sensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Codificadores Absolutos:

Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario "0" o "1". Pero, a diferencia de los codificadores increméntales, hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición.

Figura de Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos para movimientos lineales y angulares.

Cada pista representa un bit de salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor peso. Los tipos de sensores más empleados en este caso son los óptico, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes. Hay conjuntos de fotosensores integrados que facilitan en gran manera la realización del codificador.

Estos codificadores tienen inmunidad intrínseca frente a las interrupciones e interferencias electromagnéticas, pero ello es a cuesta de unos cabezales de lectura que son mucho mas complejos que en los codificadores increméntales. Esto se debe a que hay tantos elementos de lectura como pistas y a la necesidad de que todos ellos estén bien alineados, de forma contraria, el código ofrecido a la salida puede estar formado por bits correspondiente a dos posiciones contiguas (en particular cuando se produzca la transición de una a otra). El código resultante puede corresponder a una posición muy distante de la real. Si, por ejemplo, se emplea el código binario natural, en un sistema con 8 bits las posiciones 3 y 4 vienen dadas por:

Posición 3 0 0 0 0 0 0 1 1
Posición 4 0 0 0 0 0 1 0 0

Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas—,herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios entre otros.

a)Discos de un codificador digital que añade una pista externa para aumentar la resolución mediante un sistema de rejillas fijas. b)Codificador absoluto basado en un código pseudoaleatorio.

Por ejemplo, para medidas de nivel con flotador. Los codificadores absolutos son indicados en aplicaciones donde el elemento móvil permanece inactivo durante periodos de tiempo prolongados, por ejemplo antenas parabólicas, o cuando se mueve lentamente. También interesan cuando se desea ahorrar energía, por qué sólo hace falta alimentación cuando se desea información.

SENSORES AUTORRESONANTES
Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación. La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados. En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos; y a los cambios de masa del cristal por absorción o desorción de contaminantes dentro del encapsulado.

La curva de envejecimiento (Af/f) es exponencial al principio y lineal al cabo de meses. Por eso los cristales de precisión se dejan envejecer antes de su instalación. Las derivas térmicas son el fundamento de los termómetros digitales de cuarzo y tienen forma de "S" tumbada. Su valor depende del ángulo de corte. El corte más estable, en un margen de temperatura pequeño, es el de 35° 13', pero en el margen de 0 a 50°C, el normal en frecuencímetros, el corte más estable es el AT: 35° 15'. Para mantener al cristal termostatado, se dispone en un horno cuya temperatura sea unos 20°C mayor que la temperatura de funcionamiento, y tal que el cristal presente una sensibilidad mínima a dicha temperatura.

-Tipos de Sensores Autorresonantes

*Sensores Basados en ondas superficiales
Los sensores SAW basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas Rayleigh en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. Los dispositivos SAW son estructuras la modificación de la superficie de un de masa depositada interdigitadas que se realizan sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas acústicas superficiales puedan ser generadas mediante una excitación eléctrica. Se pueden utilizar como substratos o medio de soporte el Si y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores SAW. Para ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, CdS, AIN y en particular el ZnO. Por otra parte el AIN presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura (como el cuarzo) y una velocidad de propagación de las ondas acústicas de hasta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos.Son sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre 100 y 500 MHz y aunque pueden llegar, incluso, hasta pocos GHz tales frecuencias requieren un sofisticado diseñoo del circuito oscilador. Los transductores interdigitados (IDT) son los que se usan para excitar y detectar una onda acústica superficial sobre un substrato piezoeléctrico.

Sensores Basados en ondas superficiales.

*Galgas Acústicas
Una galga acústica es un dispositivo capaz de resonar a frecuencia de la banda audible (de ahí su nombre), funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comunmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. También utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones.

*Cilindros Vibrantes
Es un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes Utilizando, igual que antes, un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en éstas Se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven.La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos, con una disposición como la indicada en la figura x Consiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el liquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta flexible en cada extremo.

Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilación de los dos conductos, que se comportan como un diapasón, depende de la masa, en consecuencia de la densidad. La relación es de la forma:

siendo fo la frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido YPc una constante que depende de la geometría del sistema. La frecuencia de salida se puede medir, por ejemplo, con un PLL cuyo VCO excita el tubo vibratorio. El filtro de paso bajo que hay entre el comparador de fase y el oscilador, filtra entonces el ruido de alta frecuencia captado por los hilos de conexión.

*Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura que se mostrara a continuacion se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

Circuito equivalente de material piezolectrico

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.

Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir:

-Termómetros Digitales de Cuarzo
-Microbalanzas de cuarzo
-Sensores de gas resonante
-Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

Micro balanzas basadas en resonadores de cuarzo

Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce. Si la frecuencia de oscilación era f0, el área del cristal A, su densidad p, y la masa depositada Am, el desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey:

donde N es una constante, y se supone que la masa añadida no se deforma durante la oscilación. Para un cristal de cuarzo cortado en dirección AT y resonando en modo flexión, queda ∆f= -2,3× 106 f02(∆m/A). Se emplean discos de 10 a 15 mm de diámetro y 0,1 a 0,2mm de espesor. La frecuencia de resonancia va de 5 a 20Mhz. Para un sensor de 5MHz, se puede obtener una sensibilidad de 189 ng/(cm2Hz). Este método se aplica a la medida de humedad a base de recubrir el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida aumenta la masa y reduce la frecuencia de oscilación. Si el cristal se recubre con materiales orgánicos no volátiles específicos en vez de un material higroscópico, se pueden detectar compuestos volátiles específicos en fase gaseosa. Con este método se han podido detectar cambios de masa del orden de nanogramos. Los osciladores de cristal de cuarzo también se han empleado como monitores económicos de deposición en vacío. Se emplean dos osciladores de reloj comerciales: uno para la detección, con un agujero en su encapsulado, hacia el centro del electrodo de cristal, y el otro oscilador se emplea como referencia. Ambos osciladores se colocan en la cámara de vacío y, de esta forma, se minimiza el efecto de los hilos de conexión al sensor, y se asegura que estarán a la misma temperatura.

Construcción de Microbalanzas de Cuarzo

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzos) son construidos con una fina lámina de cristal de cuarzo situado entre dos electrodos, donde la frecuencia de oscilación del sensor viena dada por el grueso de la lámina de cuarzo y el corte del cristal original para obtener la lamina.

El corte utilizados en la microbalanza de cuarzo son paralelos a los planos XZ o YZ, que se conocen, respectivamente, como cortes X o Y. El corte "AT" (35º de inclinación con respecto al plano XZ (Figura 8)) es el más utilizado y se fabrica hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Una lámina de este tipo, en su modo fundamental de oscilación, se contrae y expande a lo largo de un eje normal a las caras principales por efecto de un campo eléctrico perpendicular a dicho eje, el plano principal permanece en reposo y las dos caras tienen la máxima amplitud de movimiento.

Corte de Cristal de Cuarzo.

En la siguiente figura se muestra un esquema de la construcción interna de un cristal de cuarzo, aunque su grueso se ha exagerado. Para un cristal cuya frecuencia sea de por ejemplo, 15 MHz el grueso de la lámina de cuarzo estará alrededor 0,15 mimetros.

Esquema de construcción interna Cristal de Cuarzo.

El cristal de cuarzo es un material frágil y por tanto es preciso protegerlo con una capsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno.
El circuito eléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico oscilante entre las dos placas, lo cual provoca el comportamiento piezoeléctrico de la lámina de cuarzo; cuya frecuencia de resonancia varía según el tipo de corte y el espesor de la lámina, en la siguiente figura se muestra la lámina de cuarzo incluido el circuito eléctrico.

Lamina de Cuarzo con circuito electrico.

Sistema de Acondicionamiento

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzo) poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Ademas estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito basico de los osciladores son los serie y los paralelos.
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.
Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

Otro circuito acondicionador mas complejo utilizando parta e oscilador transitor Schottky:

Otros métodos de detección:

1)Basado en uniones semiconductoras:

Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.

Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz).

Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.

Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.

Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas De La Fibra ÓpticaCapacidad de transmisión:

La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

-Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.

- Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.

- Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.

- Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.

- La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Parámetros De Una Fibra Óptica:Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.

Entre los parámetros estructurales se encuentra:

a)El perfil de índice de refracción.

b)El diámetro del núcleo.

c)La apertura numérica.

d)Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

a)Atenuación.

b)Ancho de banda.

SENSORES GENERADORES

SENSORES GENERADORES:

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

SENSORES TERMOELECTRICOS:

TERMOPARES EFECTO TERMOELECTRICO

Existen 2 tipos:

a) Reversibles: Efecto Peltier y Efecto Thompson

b) Irreversibles: Efecto Joule

Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica.

Es decir hay una conversión de Energía Térmica a Energía Eléctrica o bien, si se abre el circuito, una fuerza (termo - electromotriz) que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina Termopar La relación entre la fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.
En general SAB no es una constante. Esta depende de la temperatura T y suele crecer al crecer T. Es importante anotar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la ftem no depende de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende solo de la diferencia de temperaturas entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe a los efectos Peltier y Thompson

Efecto Peltier (Jean C. Peltier -1834)

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir si antes una unión se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), es decir, si primero se enfriaba ahora se calienta o viceversa.

Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión. La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier pAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y esta definido por:

El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule. En este el calentamiento depende del cuadrado de la corriente y no cambia al hacerlo su dirección. El efecto Peltier, es también independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente y ello puede ser una fuente de errores.

Efecto Thompson (Lord Kelvin -1854)

Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura No homogénea por el que circule corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente (no a su cuadrado) y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección.A pesar de todas las limitaciones, los termopares son sin duda alguna los transductores de uso más frecuente para medir temperatura:

Ventajas:

· Gran Alcance: -270°C a 3000°C .

· Gran Estabilidad. Alta fiabilidad.

· Mayor exactitud que un RTD.

· Pequeño y mediano tamaño.

· Velocidad de respuesta rápida (ms).

· Robustos.

· Simples.

· Flexibilidad de Utilización.

· Bajo costo.

Tipos de Termopares

En las uniones de termopar interesa tener:

· Resistividad elevada sin requerir mucha masa

· Coeficiente de temperatura débil en la resistividad

· Resistencia a la oxidación a temperaturas altas.

· Linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:

· Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel-;

· Cobre(57)1Niquel(43);

· Níquel(94 )1 Aluminio(2 )-Manganeso(3 )-S ilicio( I) -Alumel-

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que notmalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares mas comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

Normas de aplicación práctica para los termopares:

Ley de los circuitos homogéneos

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.
En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

Ley de los metales intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m. en n circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura. El instrumento se puede intercalar en un conductor o un una unión.

En el cuadro 4.4 se dan las fuerzas termoelectromotrices de diversos metales y aleaciones respecto al cobre., que es el elemento de conexión más común en circuitos electrónicos. El elevado valor correspondiente al óxido de cobre indica claramente la necesidad de mantener los contactos limpios.

Cuadro 4.4 Fuerzas termoelectromotrices respecto al cobre

Cu-Cu Cu-Ag Cu-Au Cu-Cd/Sn Cu-Pb/Sn Cu-Si Cu-Kovar Cu-CuO
µV/°C < align="justify">Un corolario de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros .Por lo tanto, no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la f.t.e.m. detectada con una par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el platino como referencia.

SENSORES MODULADORES

Sensores resistivos:

1.1. Potenciómetros:

Un potenciómetro es un resistor que posee un contacto móvil deslizante o giratorio.

•Tipos:
–Deslizantes (desplazamiento lineal)
–Giratorios (desplazamiento angular)

•Simplificaciones:
–Resistencia uniforme a lo largo del recorrido L
–Contacto del cursor perfecto, sin saltos resolución infinita
–Recorrido mecánico = recorrido eléctrico
–Si se alimenta con tensión alterna, su inductancia y capacidad han de ser despreciables (para R baja la inductancia puede ser significativa, mientras que para R grande la capacidad puede ser significativa)

–La resistencia no varía con la temperatura
–No existe rozamiento ni inercia del cursor
–No existe ruido derivado de la resistencia de contacto

1.2.Galgas extensométricas

•Fundamento: variación de la resistencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico

•Si se considera un hilo metálico de longitud L, área A y resistividad ρ, su resistencia R vendrá dada por:

R = ρ. L/A

•Si se somete el hilo a un esfuerzo longitudinal, las tres magnitudes varían y por lo tanto R varía de la forma:

dR= (L/A)*dρ + (ρ/A)*dL - ρ*(L/A^2) * dA

dR/R = dρ/ρ + dL/L - dA/A

•El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional, si no se rebasa su límite elástico, viene dado por la ley de Hooke:

σ = F/A = E * dL/L = Eε

siendo E una constante del material llamada el módulo de Young, σ la tensión mecánica y ε la deformación unitaria

•Si la pieza tiene, además de longitud L, una dimensión transversal D, la ley de Poisson establece:

μ = -(dD/D) / (dL/L)

siendo μel coeficiente de Poisson(0:0.5)

•Si el hilo conductor tiene una sección circular de diámetro D:

A = πD^2/4

dA/A = -2μ*dL/L

•La variación que experimenta la resistividad como resultado de un esfuerzo mecánico es lo que se conoce como el efecto piezorresistivo

•En el caso de los metales, los cambios porcentuales de resistividad son proporcionales a los de volumen:

dρ/ρ = C* dV/V

siendo C la constante de Bridgman(1.13:1.15 para las aleaciones más comunes y 4.4 para el Pt)

•Para pequeñas deformaciones resulta pues:

R = Ro(1+x)

siendo R0 la resistencia en reposo y x=Kε

•En el caso de los semiconductores predomina el efecto piezorresistivo, resultando:

–Material tipo p:

dR/Ro = 119.5 ε + 4ε^2

–Material tipo n:

dR/Ro = -110 ε +10ε^2

siendo R0 la resistencia en reposo a 25ºC

•Consideraciones:

–El esfuerzo aplicado no debe superar el límite elástico de deformaciones (4% de la longitud de la galga)

–El esfuerzo ha de ser transmitido totalmente a la galga (uso de adhesivos elásticos estables con el tiempo y Tª)

–La galga ha de quedar eléctricamente aislada del objeto y protegida del ambiente

–La temperatura afecta a la resistividad, módulo de elasticidad y dimensiones de la galga y dimensiones del soporte (hasta 50 με/ºC) =>métodos de compensación con galgas pasivas

–Potencia máxima que puede dispar la galga

TERMISTORES.

-Los termistores son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como losRTD, sino en materiales semiconductores.

-Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature
Coefficient), mientras que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).

-Los símbolos respectivos son los siguientes, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea
inclinada indica que tienen un comportamiento no lineal.

- El fundamento de los termistores está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con esta del número de portadores.

- Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia (coeficiente de temperatura negativo, NTC)

- Esta dependencia varía con la concentración de impurezas. Si el dopado es muy fuerte, el
semiconductor adquiere propiedades metálicas y presenta un coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado.

MAGNETORRESISTENCIAS.

Son sensores basados en materiales ferromagnéticos. Cuando son sometidos a un campo magnético se produce un aumento de la resistencia eléctrica. El campo magnético altera la trayectoria de los electrones aumentando la resistividad.

La relación entre el cambio de resistencia y el campo magnético aplicado es cuadrática, pero es posible linelizarla aplicando técnicas de polarización.

•Aplicaciones:

–Medida de campos magnéticos:

•Lectoras de tarjetas magnéticas

•Detección de partículas magnéticas en pacientes que vayan a ser sometidos a resonancias magnéticas

FOTORRESISTENCIAS (LDR).

Las LDR (Light Dependent Resistors) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiación óptica aporta la energía necesaria para aumentar el número de electrones libres (efecto fotoeléctrico) disminuyendo la resistividad.
La relación entre la resistencia (R) de una LDR y la intensidad luminosa (E, en lux) recibida, es fuertemente no ineal. Un modelo de dependencia simple es:

R = AE^−α

donde A y α son constantes que dependen del material y de las condiciones de fabricación.

HIGRÓMETROS RESISTIVOS.

La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso brusco de resistividad al aumentar la humedad de su entorno. Si se mide la variación de su resistencia se tiene un higrómetro resistivo.
La relación entre la humedad relativa y la resistencia no es lineal, es casi exponencial. La resistencia se debe medir con una corriente alterna de valor medio cero.

Puente de Wheatstone

La topología del Puente de Wheatstone es la mostrada en la
Figura:

Las resistencias R1 y R3 son resistencias de precisión, R2 es una
resistencia variable calibrada, Rx es la resistencia bajo medición y G es
un galvanómetro de gran sensibilidad.
Si variamos R2 hasta que el galvanómetro indique cero corriente,
se cumplirá que:

Vac = Vbc

Vac =Rx/(Rx + R1)× E

Vbc =R2/R2 + R3×E

Rx/(Rx + R1) = R2/R2 + R3

De aquí podemos deducir:

Rx/R1=R2/R3

Por lo tanto:

Rx =(R1/R3)×R2

Por lo general, la configuración con la que se representa este
circuito es la mostrada en la siguiente Figura , y la condición de equilibrio del
Puente, cuando la corriente por el galvanómetro es igual a cero, está
dada por la expresión:

R1 R2 = R3 Rx

Amplificadores:
En la siguiente pagina pueden verse algunas posibles configuraciones de operacionales para
medir en el puente de Weatstone.

La figura a recoge la conexión de un amplificador de instrumentación. En la figura b se
conecta un amplificador operacional. Como la fuente es flotante, se puede conectar el
operacional a tierra.

Sensores Capacitivos
Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C).
El caso simple es el condensador variable.

Condensador variable
Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.

C=C(geometría, ε)

Limitaciones:

􀂃 Presencia de humedad entre las placas → alteración del aislamiento dieléctrico.
􀂃 Linealidad dependiente.

C = ε * (A/x) Si V Z→ linealidad con x

Z = 1/J.W.C si V 1/Z→ linealidad con A, ε

Ventajas

􀂃 Error por carga mínimo (ausencia de fricción).
􀂃 Fuerza requerida para desplazar el elemento móvil despreciable.
􀂃 Alta estabilidad y reproducibilidad.

el estado de las placas no afecta a C.
si ε es aire → gran estabilidad térmica.

􀂃 Reducción espacial de los campos que generan

→ no producen interferencias preocupantes.

Aplicaciones:

􀂃 Si varia x ó A

→ medida de desplazamientos angulares y lineales.
→ otra magnitud transducible a desplazamiento.

􀂃 Si varía ε
→ medida de humedad, cambios de tª, espesores de dieléctrico.

Condensador diferencial

* Sistema capacitivo formado por dos condensadores variables dispuestos de forma que
experimentan el mismo cambio con la magnitud medida pero en sentidos opuestos.

C1=(ε.A)/(d+x) V1= V.C2/(C1+C2) V1= V.(d+x)/(2.d)

C2=(ε.A)/(d-x) V2= V.C1/(C1+C2) V1= V.(d-x)/(2.d)

V1-V2 = V.{(d+x)/(2.d) - (d-x)/(2.d)}

Sensores inductivos

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia oinductancia mutua por variaciones en un campo magnético.

variación de reluctancia

R=N.i/Φ N.i=V Φ=i

R=Σ (l/μo ). (lo/Ao) + Σ (l/μ).(l/A)

L= N^2/R

L = L(N,μ o , Ao ,lo ,μ , A,l)

Limitaciones

􀂃 Evitar influencia de campos magnéticos externos.
􀂃 Linealidad dependiente.
si V ∼ Z→ linealidad con μ.
si V ∼ 1/Z→ linealidad con l
􀂃 Salida bidireccional → detección de fase.
􀂃 Siempre tª <>Ventajas

􀂃 Poca influencia de la humedad.
􀂃 Alta sensibilidad.

Aplicaciones

􀂃 Medida de desplazamientos y posición.
􀂃 Detección de objetos metálicos-férricos.
􀂃 Medida de espesores.

Materiales

Aire -Permite trabajar a f elevadas sin peligrode saturación.
- Influye poco en la deriva del valor de L.


Limitación en frecuencia para no aumentar las pérdidas.

Ferrita

􀂃 Elevada permeabilidad → amplios rangos de inductancia permisibles.
􀂃 Permiten mayor confinamiento del circuito magnético → menos interferencias.

Inductancia mutua (LVDT)

LVDT ---> Transformador con un primario, dos secundarios unidos en oposición serie y un vástago ferromagnético.

Fundamento ----> El vástago, al cambiar su posición hace variar el coeficiente de inductancia mútua entre arrollamientos haciendo aumentar la tensión inducida en uno y disminuyéndola en el otro

1ª Ley de Kyrchoff y con las condiciones L2+L2’-2 M3 =2 L2 y 2 L2 L1>>(M2-M1)

Eo/E1 = p.(M2-M1) .Rc.E1 /( p^2* 2L1.L2+p(R2.L1+2.R1.L2)+R1.R2)

Rc : resistencia de carga; M1, M2 : coeficientes de inductancia mutua

L1, L2 : inductancias de primario y secundario; R1, R2 : resistencia de los arrollamientos.

Limitaciones

􀂃 En posición central salida no nula (1% F.E.).
􀂃 Presencia de armónicos de la alimentación a la salida → filtrado adicional.
􀂃 Dependencia térmica si se alimenta a tensión AC.

Ventajas

􀂃 Alta resolución (0,1% FE).
􀂃 Bajo rozamiento entre vástago y núcleo → Poca carga mecánica.
􀂃 Vida casi ilimitada (MTBF ~ 228 años).
􀂃 Ofrecen aislamiento entre sensor y electrónica → aplicaciones en atmósferas peligrosas.
􀂃 Alta repetibilidad.

Aplicaciones
De tipo directo → Medidas de desplazamiento y posición.
De tipo indirecto → Las que den lugar a un desplazamiento (1ª aplicación, 1930).

Efecto Hall

VH=KH.B.I/Z

VH ≡ tensión de efecto Hall (V).
KH ≡ constante de efecto Hall (m3/nº de electrones - C ).
B ≡ densidad de flujo magnético (Wb/m ó T ).
I ≡ corriente circulante por el conductor (A).
Z ≡ grosor del conductor (m).

Limitaciones

- VH tiene dependencia térmica → alimentar a corriente constante.
- Presencia de tensiones de desequilibrio → incorporar un electrodo adicional.

Ventajas

- Ausencia de contactos mecánicos → no hay desgaste ni arcos.
- Posibilidad de controlar la concentración de impurezas→ alta repetibilidad.
- Materiales : SbIn, AsIn, Ge, Si → integración de la electrónica posterior.

Aplicaciones

- Medida de campos magnéticos.
- Medida de corriente.
- Watímetros.

Incertidumbre de las Medidas

Al realizar el proceso de medición, el valor obtenido y asignado a la medida diferirá probablemente del “valor verdadero” debido a causas diversas. El llamado “valor verdadero” es en realidad un concepto puramente teórico y absolutamente inaccesible. En el proceso de medición únicamente pretendemos estimar de forma aproximada el valor de la magnitud medida. Para ello debemos dar un número con sus unidades y una estimación del error. Dicho de otra manera el resultado de cualquier medida es siempre incierto y a lo más que podemos aspirar es a estimar su grado de incertidumbre.

Llamamos error de una medida a la discrepancia entre el “valor verdadero” de la magnitud y el valor medido. Esta discrepancia puede ser debida a diversas causas.

Error Sistemático

Un error sistemático tiene siempre la misma amplitud cuando las condiciones del sistema son las mismas, o bien varía de acuerdo con una ley conocida cuando una de dichas condiciones cambia de una forma predeterminada.

Errores aleatorios

Son fruto del azar o de causas que no podemos controlar. Como consecuencia de ello, si repetimos una medida cierto número de veces en condiciones reproducibles, no obtendremos siempre el mismo valor, sino que obtendremos un conjunto de valores que se distribuirán probabilísticamente. Esta distribución de valores puede ser analizada por métodos estadísticos y esto nos permitirá objetivar un valor probable y una incertidumbre de la medida.

Errores Estáticos y Errores Dinámicos

Un error estático afecta a las señales lentas, por ejemplo de frecuencia inferior a 0,01 Hz. Un error dinámico afecta a las señales rápidas, y es una consecuencia de la presencia de elementos que almacenan energía.

El error dinámico de un sistema depende de su orden y de la forma de la señal de entrada.

Forma de expresar los errores

La magnitud de un error se puede expresar como error absoluto, como error relativo o como error referido a fondo escala.

Error Absoluto:
Es la diferencia entre el valor de la medida y el valor tomado como exacto. Puede ser positivo o negativo, según si la medida es superior al valor real o inferior (la resta sale positiva o negativa). Tiene unidades, las mismas que las de la medida.

Error Relativo:
Es el cociente (la división) entre el error absoluto y el valor exacto. Si se multiplica por 100 se obtiene el tanto por ciento (%) de error. Al igual que el error absoluto puede ser positivo o negativo (según lo sea el error absoluto) porque puede ser por exceso o por defecto. no tiene unidades.

Cifras significativas
Las cifras significativas de una medida están formas por los dígitos que se conocen no afectados por el error, más una última cifra sometida al error de la medida. Así, por ejemplo, si digo que el resultado de una medida es 3,72 m, quiero decir que serán significativas las cifras 3, 7 y 2. Que los dígitos 3 y 7 son cifras exactas y que el dígito 2 puede ser erróneo. O sea, el aparato de medida puede medir hasta las centésimas de metro (centímetros), aquí es donde está el error del aparato y de la medida.

Redondeo de Números

Redondea los números que terminan entre 1 y 4 al número menor anterior terminado en cero. Por ejemplo 74 redondeado a la decena más próxima sería 70.
Los números que terminan en un dígito de 5 o más deberán ser redondeados a la próxima decena. El número 88 redondeado a la próxima decena sería 90.

Redondear decimales es muy similar a redondear otros números. Si los centésimos y milésimos son iguales o menores a cuarenta y nueve, se dejan de lado y el lugar de los décimos no cambia.
Por ejemplo, redondear 0.843 al décimo más cercano sería 0.8.
Si el lugar de los centésimos y los milésimos es cincuenta o más, el lugar de los décimos se incrementa en uno. El decimal 0.866 redondeado al décimo más próximo es 0.9

Errores de cero, ganancia y de no linealidad

Según su efecto en la característica de transferencia, los errores pueden ser de cero, de
ganancia y de no linealidad.
Un error de cero permanece constante con independencia del valor de la entrada. Un error de
ganancia es proporcional al valor de la entrada. Un error de no linealidad hace que la característica de transferencia se aparte de una línea recta (suponiendo que sea ésta la característica ideal).

Los errores de cero y de no linealidad se suelen expresar como errores absolutos. Los errores
de ganancia se suelen expresar como errores relativos.

Estimación del Error de una Medida Directa

No existe un conjunto de reglas bien fundadas e inalterables que permitan determinar el error de una medida en todos los casos imaginables.

Sin embargo, la aplicación de algunos métodos estadísticos permite objetivar en gran medida
la estimación de errores aleatorios. La estadística permite obtener los parámetros de una población (en este caso el conjunto de todas las medidas que es posible tomar de una magnitud), a partir de una muestra (el número limitado de medidas que podemos tomar).

Mejor valor de un conjunto de Medidas

El método más razonable para determinar el mejor valor de estas medidas es tomar el valor
medio. En efecto, si los errores son debidos al azar, tan probable es que ocurran por defecto
como por exceso, y al hacer la media se compensarán, por lo menos parcialmente.

AJUSTE POR MÍNIMOS CUADRADOS

Existen numerosas leyes físicas en las que se sabe de antemano que dos magnitudes x e y se relacionan a través de una ecuación lineal

y = ax + b

donde las constantes b (ordenada en el origen) y a (pendiente) dependen del tipo de sistema que se estudia y, a menudo, son los parámetros que se pretende encontrar.

EJEMPLO: La fuerza F de tracción sobre un muelle y el alargamiento l que experimenta éste están ligadas a través de una ley lineal:

l = (1/K)F

con ordenada en el origen cero y donde el inverso de la pendiente (K) es una característica propia de cada muelle: la llamada constante elástica del mismo.
El método más efectivo para determinar los parámetros a y b se conoce como técnica de mínimos cuadrados.Consiste en someter el sistema a diferentes condiciones, fijando para ello distintos valores de la variable independiente x, y anotando en cada caso el correspondiente valor medido para la variable dependiente y. De este modo se dispone de una serie de puntos (x1,y1), .... (xn,yn) que, representados gráficamente, deberían caer sobre una línea recta. Sin embargo, los errores experimentales siempre presentes hacen que no se hallen perfectamente alineados.El método de mínimos cuadrados determina los valores de los parámetros a y b de la recta que mejor se ajusta a los datos experimentales.

GENERALIDADES DEL SISTEMA DE MEDIDA

Descripción de un sistema de medida y control.

El Sistema de Medida y Control es aquel que realiza funciones de medición de magnitudes Físicas, químicas, biológicas, entre otras, procesando estas informaciones para regular el funcionamiento del sistema físico que pretende controlar, según los datos obtenidos en el proceso de Adquisición de datos y medición.
Algunos ejemplos de medida a efectuar por un sistema de control pueden ser: medida de La temperatura interna de un horno, medida de la posición o del esfuerzo en un brazo robot, etc.

Identificación del sistema de medida y sus bloques constitutivos.

Transductor

Un Transductor es aquel dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente eléctrica. Es necesario diferenciar el elemento sensor del transductor, ya que este último es un dispositivo más complejo que puede incluir un amplificador, un conversor A/D, etc. El Sensor es el elemento primario que realiza la transducción, y por tanto, la parte principal de todo transductor.

Sensor
Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio, proporciona una señal de salida que es función de la magnitud que se pretende medir.

Actuador

Los Actuadores o Accionadores son aquellos elementos que realizan una conversión de energía con objeto de actuar sobre el sistema a controlar para modificar, inicializar y corregir sus parámetros internos.
La actuación es la etapa final del proceso de control. Las órdenes son enviadas por el controlador y se aplican al sistema físico a través de los actuadores. Esta actuación modificará el estado del sistema, que volverá a ser medido por los transductores para realizar un nuevo bucle de control.

Acondicionador

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal eléctrica de salida de un transductor, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesado posterior mediante el equipo electrónico adecuado. Los acondicionadores de señal son normalmente circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras opciones, las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancia, modulación/demodulación, codificación/decodificación, conversión A/D y D/A, etc.adaptar impedancias, realizar una modulación o demodulación, etc.

Conversión entre dominios

Se denomina dominio de datos al nombre de una magnitud mediante la que se presenta o transmite información. El concepto de dominio de datos y conversiones entre dominios, es de gran interés para describir los transductores y los circuitos electrónicos asociados.
En el dominio analógico, la información esta en la amplitud de la señal, bien se trate de carga, corriente, tensión o potencia. En el dominio temporal, la información no esta en las amplitudes de las señales, sino es las relaciones temporales: período, frecuencia, anchura de pulsos, fase. En el dominio digital, las señales solo tiene dos niveles. La información puede estar en el numero de pulsos, o venir representada por palabras serie o paralelo codificadas.
El dominio analógico es, en general, el más susceptible a interferencias eléctricas. En el dominio temporal, la variable codificada no se puede medir, es decir, convertir al dominio de números, de forma continua, sino que hay que esperar un ciclo o la duración de un pulso. En el dominio digital la obtención de números es inmediata.
La estructura de un sistema de medida refleja las conversiones entre dominios, e influye particularmente en ella el que se trate de una medida directa o indirecta.

Procesamiento:

Una vez que los datos han sido recogidos del sistema y enviados al sistema de control, éste los analiza y calcula las actuaciones necesarias para cumplir los objetivos que se hayan especificado.
Dada la potencia de los sistemas actuales, se pueden controlar sistemas mediante métodos de control avanzados, realizar cálculos matemáticos altamente complejos, aplicar redundancia al sistema de control en casos críticos, etc.

Linealidad

En muchos casos se asume que la respuesta de los transductores es lineal, facilitando el diseño del sistema de medida y control. Esta suposición introduce errores debido a la no linealidad.

Conceptos generales sobre la medida: Margen de medida:

La diferencia entre los valores máximo y mínimo de una magnitud constituye su campo o margen de variación o medida

Campos de medida: Este concepto deriva de las definiciones de estadística y se refiere a la distancia entre el menor valor y el mayor valor de la capacidad de medida del instrumento, en unidades de medida de la variable que se desea medir (mesurando). Se expresa por los dos valores extremos.

Clasificación de los sensores

Interferencias

Se denomina interferencias o perturbaciones externas aquellas señales que afectan al sistema de
medida como consecuencia del principio utilizado para medir las señales de interés.
Perturbaciones internas son aquellas señales que afectan indirectamente a la salida debidos a su
efecto sobre las características del sistema de medida.

Compensación de errores

Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteración
del diseño o a base de añadir nuevos componentes al sistema. Un método para ello es el
denominado diseño con insensibilidad intrínseca. Se trata de diseñar el sistema de forma que sea
inherentemente sensible sólo a las entradas deseadas.

El método de la realimentación negativa se aplica con frecuencia para reducir el efecto de las
perturbaciones internas, y es el método en el que se basan los sistemas de medida por
comparación.

Otra técnica para reducir las interferencias es el filtrado. Un filtro es todo dispositivo que separa señales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio. Si los espectros frecuenciales de la señal y las interferencias no se solapan, la utilización de un filtro puede ser efectiva. El filtro puede ponerse en la entrada o en una etapa inmediata.

Características estáticas de los sistemas de medida

Exactitud (accuracy): es la capacidad de un instrumento de dar indicaciones que se
aproximen al verdadero valor de la magnitud medida.

La discrepancia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor de la magnitud medida se denomina ‘error’. La diferencia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor se denomina error absoluto.

Error absoluto = resultado – verdadero valor

El error relativo viene dado por:

Error relativo = error absoluto/ verdadero valor

El valor medido y su exactitud deben darse con valores numéricos compatibles, de forma
que el resultado numérico de la medida no debe tener mas cifras de las que se puedan
considerar validas.
20ºC + 1ºC es correcto
20ºC+0,1ºC incorrecto
20,5 ºC+1ºC incorrecto
20,5ºC+10% incorrecto

• La precisión es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de
  dar el mismo valor de la magnitud medida.
• La 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.
• Linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta
  determinada.
  
• Resolución: es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la
  salida
• Histéresis se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección
  en que se alcance.

Características dinámicas

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

- LA velocidad de respuesta: indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los
cambios en la variable de entrada.

La parte analógica de los sistemas de medidas mas simples se describe con un modelo
matemático que consiste en una ecuación diferencial lineal con coeficiente constantes.

La mayoría de los sensores se pueden describir con modelos de orden cero, uno o dos, y respuesta de tipo pasa bajo.

La función de transferencia de un sistema de orden cero es:

Y(s)/X(s) = K

La función de transferencia de un sistema de primer orden es:

Y(s)/X(s) = K/(τs + 1) = K*ωc/(s+wc)

La función de transferencia de un sistema de segundo orden es:

Y(s)/X(s) = k* wn^2/(s^2+2ζ Wns+Wn^2)

Características de entrada

Cuando se definió el sistema de medida se comentó que el sensor tomaba energía del medio. Esta toma de energía altera de alguna forma el medio. Luego se puede hablar de error de carga como aquel relacionado con la alteración de la variable medida debido al sistema de medida utilizado.
En el caso de sensores eléctricos, este fenómeno queda descrito por la impedancia de entrada.

En el caso de sensores eléctricos, este fenómeno queda descrito por la impedancia de entrada. El valor de esta variable para reducir su efecto sobre la variable a medir queda determinado por el tipo de variable a medir.

Si la variable a medir se mide entre dos puntos o dos regiones del espacio, se dice que son variables de esfuerzo, y en ese caso se requiere que la impedancia de entrada del sistema de medida sea alta. Si la variable a medir se pide en un punto o región del espacio se dice que son variables de flujo, en cuyo caso se requiere que la impedancia d entrada sea baja.

Errores en los sistemas de medida y su análisis

La calibración estática de un sensor permite detectar y corregir los denominados errores sistemáticos. Se dice que un error es sistemático cuando en el curso de varias medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas condiciones, o bien permanece constante en valor absoluto y signo, o bien varia de acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida. Dado que el tiempo es también una condición de medida, estas deben ser realizadas en un intervalo de tiempo breve.

La presencia de errores sistemáticos puede descubrirse, por tanto midiendo la misma magnitud con dos aparatos distintos, o con dos métodos distintos, o dando las lecturas dos operarios distintos, o cambiando de forma ordenada las condiciones de medida y viendo su efecto en el resultado.

Un error sistemático tiene siempre la misma amplitud cuando las condiciones del sistema son las
mismas, o bien varía de acuerdo con una ley conocida cuando una de dichas condiciones cambia
de una forma predeterminada.

La calibración permite corregir los errores sistemáticos y estimar la magnitud de los errores
aleatorios (pero no corregirlos).

Según que se manifiesten cuando las señales de entrada son lentas o rápidas, los errores se
denominan estáticos o dinámicos.

El error dinámico de un sistema depende de su orden y de la forma de la señal de entrada.

Los sistemas de orden cero no tienen error dinámico. Los sistemas de primer y de segundo orden tienen un error dinámico para las entradas en rampa y senoidales, incluso en régimen estacionario, y tienen un error dinámico para las entradas en escalón sólo durante la fase transitoria.
Los errores de cero y de no linealidad se suelen expresar como errores absolutos. Los errores de ganancia se suelen expresar como errores relativos.

La incertidumbre en una magnitud que se obtiene como resultado de un cálculo en el que
intervienen otras magnitudes y depende de la incertidumbre en el valor de cada una de ellas.