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.
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
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
Conceptos generales sobre la medida: Margen de 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
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.
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.
aproximen al verdadero valor de la magnitud medida.
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.
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