Act 4: Lección Evaluativa No. 1

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Introducción a los Sistemas de Medida.

Una medida es un proceso empírico (resultado de un experimento) que asigna valores numéricos a las propiedades de los objetos o acontecimientos del mundo

real, de forma que sirva para describirlos. Los sistemas de medida son los encargados de tomar esas medidas, transmitirlas, procesarlas y visualizarlas. Es

necesario conocer la estructura y la función de cada bloque en un sistema de medida.

Las etapas de un proceso de medición son:

Sensado: Esta función extrae la información referida a una propiedad del sistema físico que se está midiendo, donde un sensor arroja una señal que tiene una

relación de transferencia respecto a la propiedad física medida. La señal sensada se relaciona y corresponde a la propiedad medida en ese instante. Esta relación normalmente obedece a una función f(x) donde f es la señal sensada, en función

de x que es la propiedad medida. Puede ser una función lineal, logarítmica, exponencial, etc, de acuerdo a la función de transferencia del sensor.

Acondicionamiento: Transformación de la señal sensada en otra de tipo electrónico (corriente, tensión, frecuencia) que sea más fácilmente tratable para la posterior etapa de procesamiento. El elemento que realiza esta transformación se

denomina transductor.

Transmisión: Llevar la información a través de las diferentes etapas interconectadas. Las lecturas de los sensores son adaptadas al sistema de

transmisión, por medio del cual se envian al sistema de visualización o de control para su procesamiento. La transmisión puede realizarse mediante líneas

independientes o por buses. En función de la complejidad el sistema receptor, la transmisión puede ser a corta distancia o incluso a nivel mundial a través de redes

WAN (Wide Area Network) e Internet.

Adquisición: Consiste en retener y codificar la información de forma conveniente para su tratamiento posterior.

Procesamiento: Consiste en extraer de la señal adquirida la información que se quiere presentar. En función de la complejidad de esta información y del proceso

realizado a la señal en la etapa de adquición, será necesario utilizar

Registro: Posteriormente las señales se registran, en un dispositivo de memoria. Las señales pueden ser registradas para su uso inmediato o para un tratamiento

posterior. El registro permite analizar la evolución del sistema más detalladamente

para modificar estrategias, hacer estudios de rendimiento, etc.

Representación: Es la interfaz entre el sistema de medida y las facultades de percepción humanas, mediante sistemas como unidades de representación visual

analógica o digital, los monitores, registradores etc.

Si el sistema de medida es parte de un sistema de control es necesaria la implementación de etapas como:

Transmisión de Órdenes. Una vez que la señal ha sido procesada y analizada, si es necesario, éstas han de enviarse al sistema para que sean aplicadas por los

actuadores. Al igual que en la transmisión de datos, las órdenes pueden enviarse a los actuadores mediante líneas independientes, por buses específicos, o por los

mismos buses utilizados para la transmisión de datos.

Conversión Digital Analógica. Si el controlador está implementado con un sistema digital, puede ser necesario (dependiendo de la naturaleza del actuador)

una conversión previa de la señal.

Acondicionamiento de la Salida. Normalmente esta etapa está compuesta por un amplificador de potencia que adapta la señal de salida del controlador al actuador.

Actuación. 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.

Los sistemas de medida se pueden clasificar:

- Según la naturaleza de las señales puede ser analógico, digital o híbrido.

- Según el tipo de bucle de control puede ser o de bucle cerrado o de bucle abierto.

- Según la distribución del sistema puede ser centralizado, descentralizado o distibuido.

No es una etapa de un sistema de medición y control:

Conversión de sistema distribuido a sistema centralizado para que un solo dispositivo gobierne todos los nodos del sistema.

Una de las razones por la cual los transductores normalmente convierten magnitudes a señales eléctricas es:

Debido a la estructura electrónica de la materia.

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.

Actuador

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Errores en Sistemas de Medida.

El error es la diferencia entre el valor medido y el valor real, una desviación de las medidas prácticas con relación a las teóricas o ideales.

En general hay 3 tipos de error según su origen:

Errores Sistemáticos . Son errores propios del operario, del método empleado para tomar las medidas o de las circunstancias en las que estas se realizan.

Errores del Sistema . Estos errores pueden deberse a modificaciones del entorno (humedad, temperatura, polvo, etc.) o al propio sistema (fricciones, no linealidades,

roturas, etc.).

Aleatorios o fortuitos: Se deben a causas desconocidas y ocurren incluso cuando todos los errores sistemáticos han sido considerados.

Con respecto a la medición misma, se define, error absoluto y error relativo. El error absoluto es directamente la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. El

error relativo es el cociente entre el error absoluto y el verdadero valor de la magnitud medida.

Con respecto a los sistemas de medida se distinguen 3 tipos de errores:

El error estático se presenta en condiciones de régimen permanente, o en sistemas con características estáticas de medida, es decir, cuando la varible medida es

constante o varia tan lentamente que se puede considerar así.

El error dinámico, se presenta en sistemas con características dinámicas de medida, es decir, cuando la variable medida es variable en el tiempo. Este error se define como la diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento; y

depende del tipo de fluido del proceso, su velocidad, del elemento primario (en el sensor), los medios de protección, etc.

Los errores deriva son los relacionados con los factores del entorno o ambientales. En este tipo de errores incide la temperatura, la humedad, el tiempo, o la radiación.

Cuando los errores son aleatorios se usan métodos estadísticos de análisis:

Valor Medio: Es la media aritmética de todas las medidas. Cuanto más medidas se tomen, más acertado será el resultado.

Desviación del Valor Medio : Indica cuánto se desvía un valor del valor medio. Podrá ser positivo o negativo

Desviación Media.Implica la precisión de la medida. Se calcula haciendo la media aritmética del valor absoluto de las desviaciones.

Desviación Estándar. Es la desviación cuadrática media o RMS (Root Mean Square), y representa la medida perfecta de la dispersión de los datos. Esta forma es

la más usual de dar el error de una medida.

Con respecto a un sistema de medida, estos presentan errores como:

Error por no linealidad. Esta es la máxima desviación de la curva característica respecto a la línea recta que une el cero y el fondo de escala, en tanto por ciento.

Otro error es el error por histéresis. Se define como la máxima diferencia entre las salidas correspondientes a un punto de las magnitudes crecientes y decrecientes

entre el cero y el fondo de escala.

El error de deriva de cero se define como la mayor salida que se obtiene a lo largo de todo el rango de entrada, cuando el transductor debería dar salida nula.

Otros errores del sistema son: offset, zona muerta, autocalentamiento, tiempo de calentamiento, errores de cuantificación.

Recuerde leer el apartado 1.2 del módulo para profundizar en estos conceptos.

Cual de los siguientes análisis en sistemas de medida no se relacionan en absoluto con los errores aleatorios

Un análisis de la linealidad del sistema.

No es una fuente de incertidumbre de la medida:

Influencia de las condiciones ambientales.

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Características de los sistemas de medida

Cuando se haba de características de los sistemas de medida, se hace referencia a sus propiedades o comportamiento frente a las exitaciones o señales de entrada, es

decir, una descripción basada en la función entrada/salida. Normalmente estas propiedades están ligadas al comportamiento del sensor o transductor, por lo que

algunos las llaman características de los transductores.

Cuando la señal de entrada es constante o tienen cambios despreciables con respecto al tiempo, o cambia muy lentamente, en el sistema de medida se pueden describir sus características estáticas. Las características estáticas están muy

relacionadas con los errores de sistema que vimos anteriormente. De hecho muchas de las características estáticas son fuente de error.

Si la señal de entrada es variable en el tiempo, aparecen sus características dinámicas. El análisis de características dinámicas está estrechamente relacionado

con la función de transferencia del sistema, y tienen en cuenta si el estado del sistema es transitorio o en estado estable.

Algunas características estáticas son:

Sensibilidad: Si x es la señal de entrada del sistema de medida y F(x) es la salida (función de la entrada), la sensibilidad se define como la derivada de F(x) con

respecto a X. Es decir la sensibilidad mide la relación entre el cambio de la salida con el cambio en la entrada.

Exactitud: - En ingles, accuracy - es la propiedad de dar una medida que se aproxime al verdadero valor o valor exacto.

Precisión o fidelidad. Es la capacidad de un instrumento de dar el mismo valor de la magnitud medida al realizar la medición varias veces en las mismas condiciones.

Resolución: Se define como el mínimo incremento en la señal de entrada que puede ser registrado.

Linealidad: Nuevamente suponga que x es la señal de entrada del sistema de medida y F(x) es la salida. Esta característica dice que tanto f(x) se acerca a una

función lineal.

Histeresis: Máxima diferencia entre lecturas, para la misma entrada, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos: ascendente y descendente.

En cuanto al comportamiento estático de un sistema también se definen conceptos como:

Rango o campo de medida (range): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la

capacidad de medida.

Alcance (Span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.

Zona muerta (dead zone): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento.

Campo de medida con elevación de cero: Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida, es mayor que el valor inferior del Rango.

Elevación de cero: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del rango de medición

Campo de medida con supresión de cero: Es aquel campo de medida, en el que el valor cero de la variable o señal de medida, es menor que el valor inferior del campo.

Supresión de cero: Es la cantidad con que el valor inferior del rango de medición supera el valor cero de la variable.

Fiabilidad: Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de limites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo

condiciones especificas.

Temperatura de servicio (o de operación): Rango de temperaturas en el cual se

espera que trabaje el sistema dentro de límites os de error especificados.

Vida útil de servicio: Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se

presenten cambios en su comportamiento mas allá de tolerancias especificadas.

Calibración: Calibración es el proceso de comparar un instrumento de exactitud desconocida, para asegurar que funcione dentro de los límites de la tolerancia

especificada por el fabricante, o que tenga la exactitud requerida en el trabajo para el que fue escogido

En cuanto a las características dinámicas, se tienen algunas definiciones que se relacionan con el tiempo que tarda el sistema de medida en reaccionar frente a un

aumento súbito de la señal de entrada:

Tiempo de subida (rise time): En los sistemas de primer orden y sobreamortiguados, es el tiempo transcurrido desde que la salida tiene el 10% de su valor final hasta que llega al 90% de dicho valor, aplicando un escalón a la entrada. En los sistemas subamortiguados, es el tiempo que tarda la salida en alcanzar su

valor final por primera vez, aplicando un escalón a la entrada.

Tiempo de respuesta (response time): El que tarda la señal de salida desde la llegada de un escalón en la entrada hasta alcanzar el 90% del valor límite.

Tiempo de Establecimiento o Settling Time ( ts ). Es el tiempo que requiere el sistema para que su salida se asiente en un margen del valor final, normalmente el 2

ó 5%

Tiempo de retardo (delay time) : El que tarda la señal de salida desde la llegada de un escalón en la entrada hasta alcanzar el 50% del valor límite.

Tiempo característico: Constante temporal que mejor ajusta una función exponencial a la señal de salida. Se puede medir tomando el tiempo que tarda la señal de salida desde la llegada de un escalón hasta la fracción (1-1/e) del valor

límite (aproximadamente 63,2%).

Error Dinámico: Es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error estático.

Velocidad de Respuesta .- Indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada.

Sobreimpulso ( Mp ) .Es el valor máximo que sobrepasa la salida del sistema a su valor final. Se suele expresar en %.

El comportamiento dinámico de un sensor viene descrito por su función de transferencia:

Un sistema sólo es de orden cero si no posee ningún elemento almacenador de energía, por ejemplo, es el caso de los potenciómetros empleados para la medida de

desplazamientos lineales o angulares.

En un sistema de primer orden hay un elemento almacenador de energía y otro que la disipa. Su función de transferencia se puede expresar por medio de una ecuación

diferencial de primer orden.

En un sistema de segundo orden hay dos elementos almacenadores de energía y, al menos, uno que la disipa. Su función de transferencia se puede expresar por medio

de una ecuación diferencial de segundo orden.

Suponga que un sistema de medida de temperatura, al medir un ambiente de 30ºC de temperatura (valor real), arroja las siguientes medidas: 27.3ºC, 27.7ºC, 27.1ºC, 26.9ºC, 27.2ºC, 27.5ºC, 27.9ºC, tomadas todas durante 1 hora. Con respecto a sus caracterísiticas estáticas, de este sistema se puede decir que:

El sistema es de gran fidelidad pero carece de exactitud

Un sistema de medida de presión, detecta que en menos de 1 segundo la presión se a incrementado al doble de su valor normal, por lo cual se prenden las alarmas. Acerca de esto es falso que:

Si se quiere hacer un análisis del comportamiento de este sistema en este instante, no importa su función de transferencia, ya que es necesario solo revisar sus características estáticas.

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Instrumentos de medición y control.

El instrumento es el dispositivo empleado para determinar el valor o magnitud de una cantidad o variable.

Para clasificar los instrumentos de medición y control en instrumentación industrial, es posible hacerlo de acuerdo a su función o de acuerdo a la variable de proceso que

manejen.

Según la función, los instrumentos se agrupan en:

Instrumentos ciegos: Estos son aquellos que no tienen indicación visible de la variable.

Instrumentos indicadores: Estos disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.

Instrumentos registradores: Estos registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la

forma del gráfico.

Elementos primarios: Ellos están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en

respuesta a la variación de la variable controlada.

Transmisores: Estos captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática o electrónica.

Transductores: Estos reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida.

Convertidores: Estos son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de

modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar.

Receptores: Estos reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran.

Controladores: Estos comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación.

Elemento final de control: Este recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control.

Según la variable de proceso, los instrumentos se clasifican en: Instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez,

etc.

Los instrumentos se consideran o de campo, o de panel. Los de campo se sitúan en el proceso o sus proximidades (tanques, tuberías, secadores, etc.), mientras los de

panel se refiere e los instrumentos montados sobre paneles de visualización o control, armarios o pupitres situados en zonas aisladas o del proceso.

En la industria existen ciertos estándares para la realización de diagramas con instrumentos. Los diagramas son necesarios para la realización, verificación,

evaluación o registro de sistemas industriales. Alli se indica claramente los tipos de instrumentos, señales con las que se comunicarán, ubicación relativa de los

elementos que conformarán el circuito, etc.

La Sociedad de Instrumentación de los Estados Unidos (ISA: Instrument Society of America) es una de las organizaciones mas importantes que han dedicado esfuerzo en la normalización de este campo de trabajo, y tiene por objeto establecer sistemas

de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas, petroquímica, aire acondicionado, etc.

Las normas ISA-S5.1 de ANSI/ISA 1984 con una revisión el 13 de julio del año 1992, sobre instrumentación de medición y control; ISA-S5.2 Binary Logic Diagrams for

Process Operations 1973 con una revisión el 13 de julio del año 1992 sobre símbolos de operaciones binarias de procesos, y ISA-S5.3 Graphic Symbols for Distributed

Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems 1982, sobre símbolos de sistemas de microprocesadores con control compartido; son las mas

representativas.

Instrumento medidor cuya indicación es función continua de las variables del valor correspondiente de la magnitud que se mide:

Medidor Analógico

Algunas Consideraciones Sobre Metrología.

Como se menciono al principio, la metrología es la ciencia y el arte de la medición. Hasta ahora hemos visto los sistemas de medición de manera estructural, sin

embargo hablar de metrología, es hablar más específicamente de la medida en si; como las unidades de medida, su ajuste, los patrones internacionales y algunos

aspectos legales.

Por conveniencia, se hace a menudo una distinción entre los diversos campos de aplicación de la metrología; suelen distinguirse como Metrología Científica, Metrología

Legal y Metrología Industrial.

Metrología científica: Es el conjunto de acciones que persiguen el desarrollo de patrones primarios de medición para las unidades de base y derivadas del Sistema

Internacional de Unidades, SI.

Metrología industrial: La función de la metrología industrial reside en la calibración, control y mantenimiento adecuados de todos los equipos de medición empleados en producción, inspección y pruebas. Esto con la finalidad de que pueda garantizarse

que los productos están de conformidad con normas. El equipo se controla con frecuencias establecidas y de forma que se conozca la incertidumbre de las

mediciones. La calibración debe hacerse contra equipos certificados, con relación válida conocida a patrones, por ejemplo los patrones nacionales de referencia.

Metrología legal: Según la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) es la totalidad de los procedimientos legislativos, administrativos y técnicos establecidos por, o por referencia a, autoridades públicas y puestas en vigor por su cuenta con la finalidad de especificar y asegurar, de forma regulatoria o contractual, la calidad y

credibilidad apropiadas de las mediciones relacionadas con los controles oficiales, el comercio, la salud, la seguridad y el ambiente.

Para poderse entender, los metrólogos utilizan un léxico acordado internacionalmente por medio del Vocabulario Internacional de Metrología, VIM(54); algunas de las definiciones más usuales se dan a continuación. Muchas de ellas ya las hemos

abordado en esta unidad.

Magnitud (medible): Atributo de un fenómeno, de un cuerpo o de una substancia, que es suceptible de distinguirse cualitativamente y de determinarse cuantitativamente.

Magnitud de base:Una de las magnitudes que, en un sistema de magnitudes, se admiten por convención como funcionalmente independientes unas de otras.

Magnitud derivada:Una magnitud definida, dentro de un sistema de magnitudes, en función de las magnitudes de base de dicho sistema.

Dimensión de una magnitud:Expresión que representa una magnitud de un sistema de magnitudes como el producto de potencias de factores que representan las

magnitudes de base de dicho sistema.

Magnitud de dimensión uno (adimensional): Magnitud cuya expresión dimensional, en función de las dimensiones de las magnitudes de base, presenta exponentes que

se reducen todos a cero.

Unidad (de medida):Una magnitud particular, definida y adoptada por convención, con la cual se comparan las otras magnitudes de igual naturaleza para expresarlas

cuantitativamente en relación a dicha magnitud.

Unidad (de medida) de base: Unidad de medida de una magnitud de base en un sistema dado de magnitudes.

Valor (de una magnitud): Expresión cuantitativa de una magnitud en particular, generalmente bajo la forma de una unidad de medida multiplicada por un número.

Medición: Conjunto de operaciones que tienen por finalidad determinar el valor de una magnitud.

Mensurando:Magnitud dada, sometida a medición.

Exactitud de medición: Grado de concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero (o real) de lo medido (el mensurando).

Repetibilidad (de los resultados de mediciones): Grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de un mismo mensurando, llevadas a cabo

totalmente bajo las mismas condiciones de medición.

Reproducibilidad: Grado de concordancia entre los resultados de las mediciones de un mismo mensurando, llevadas a cabo haciendo variar las condiciones de medición.

Incertidumbre: Parámetro, asociado al resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que, con fundamento, pueden ser atribuidos al mensurando.

Medida materializada: Dispositivo destinado a reproducir o a proveer de forma permanente durante su empleo, uno o varios valores conocidos de una magnitud

dada.

Patrón: Medida materializada, aparato de medición, material de referencia o sistema de medición, destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores de una magnitud para servir de referencia. Los patrones pueden ser

internacionales (reconocidos por acuerdo internacional) y nacionales (reconocidos por acuerdo nacional).

Patrón primario: Patrón que se designa o se recomienda por presentar las más altas calidades metrológicas y cuyo valor se establece sin referirse a otros patrones de la

misma magnitud.

Patrón secundario: Patrón cuyo valor se establece por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.

Patrón de referencia: Patrón, generalmente de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar u organización dados, del cual se derivan las mediciones que

se hacen en dicho lugar u organización.

Patrón de trabajo: Patrón utilizado corrientemente para controlar medidas materializadas, aparatos de medición o materiales de referencia.

Patrón de transferencia: Patrón empleado como intermediario para comparar patrones entre sí.

Trazabilidad: Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón de estar relacionado a referencias establecidas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena continua de comparaciones, todas ellas

con incertidumbres establecidas. La posibilidad de determinar la trazabilidad de cualquier medición descansa en el concepto y las acciones de calibración y en la

estructura jerárquica de los patrones. Para los metrólogos, se entiende por calibración un conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas,

la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición, sistema de

medición, valores representados por una medida materializada o un material de referencia y los valores correspondientes a las magnitudes establecidas por los

patrones.

Unidades SI (Sistema internacional de unidades).

Las unidades del Sistema Internacional de Unidades, SI, son establecidas por la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) bajo cuya autoridad funciona la

Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM - Bureau International des Poids et Mesures) con sede en Francia. La CGPM decidió establecer el SI, basado en siete unidades bien definidas. Estas son las llamadas unidades de base, y son: Metro,

Kilogramo, Segundo, Ampere, Kelvin, Mol, Candela.

Suponga estos dos procesos industriales de medición: Una máquina que mide el peso de varios costales de arroz de forma exacta, para que al venderlos estén en conformidad con las normas (proceso 1). Pero sucede que la máquina durante el proceso de medición es muy ruidosa, por lo que una comisión viene a verificar si los niveles de ruido son los permitidos y se dispone a medirlos (proceso 2). De estas dos mediciones se puede decir que:

El proceso 1 tiene que ver con la metrología industrial y el segundo con metrología legal.

Patrones internacionales

Patrones internacionales

7290 4903

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