Generalidades del sistema de medida

Verónica Velásquez

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1. Descripción de un sistema de medida y control.
Para describir un sistema de medida y control hay que tener en cuenta que éstos tiene como objetivo la realización de funciones de medidas de magnitudes físicas o químicas, las cuales regulan el funcionamiento del sistema físico a controlar, a partir del procesamiento de dicha información de medida obtenido en el proceso.

Un sistema de control capta las magnitudes del sistema físico a través de los sensores o transductores los cuales generan una señal eléctrica amplificada y acondicionada posteriormente para transmitirla a la unidad de control. Ya recibidos los datos por la unidad de control, ésta ejecutará su función según su objetivo previsto para el sistema. De ser necesario las señales se amplifican las señales de baja potencia que serán enviadas a los actuadores. Hay que tener en cuenta que en función de disminuir el ruido las señales se transmiten de manera digital para lo cual se necesitan convertidores analógico-digitales.

2. Identificación del sistema de medida y sus bloques constitutivos.
Un sistema de medida se identifica por poseer ciertos elementos necesarios para realizar lo que se requiera a partir de la asignación de un valor a un objeto o propiedad que pueda ser descrita.
El sistema de medida se constituye por poseer tres partes o pasos importantes para su ejecución, los cuales son sensar, procesar y presentar los resultados de dicha información. El sensor se encarga de realizar la medición, luego se procesa para filtrar la señal del ruido generado para luego presentarla o visualizarla.
a. Definición de cada bloque constitutivo:
Transductor: Es un dispositivo que convierte una señal o magnitud (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, etc) en otra señal con las mismas características de información pero de otra forma física.
Sensor: es el elemento primario que realiza la transducción (es un transductor de entrada), y por tanto, la parte principal de todo transductor. El sensor a partir de la energía del medio donde se está midiendo, da una señal transducible que es función de la variable medida.
Actuador: Es un transductor cuando éste modifica un parámetro del sistema.
Acondicionador: son los elementos del sistema que reciben la señal de salida de los sensores y la preparan de forma que sea una señal apta para usos posteriores. El acondicionador puede amplificar la señal, filtrarla, modularla, entre otras.
Conversión entre dominios: Es el cambio que se le hace a una señal y se convierte en otra siempre y cuando mantenga sus características informativas.
Procesamiento: Con el procesamiento la señal puede ser leída gracias a la linealización y la estandarización en la salida del sistema. Transforma la información que contiene la señal en unidades conocidas para luego ser visualizadas en un instrumento.

b. Conceptos generales sobre la medida:
La medición es comparar la cantidad desconocida que se quiere determinar con una cantidad conocida de la misma magnitud, que se elige como unidad. Se determina la proporción entre la dimensión del objeto y la unidad de medida. La medida es el resultado de medir, y medir es producto de la medición.
Margen de medida: Es la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo de una magnitud.
3. El sensor:
Como ya se mencionó, El Sensor es el elemento primario que realiza la transducción, y por tanto, la parte principal de todo transductor. Es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, en magnitudes eléctricas. Cabe destacar que un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor siempre está en contacto con el medio o variable de medida.
Clasificación.
Aporte de energía: Se dividen en moduladores y generadores. En los moduladores la energía de la señal de salida procede de una fuente de energía auxiliar, y en los generadores la energía de salida proviene o es suministrada por la entrada.
Señal de salida: Se dividen en analógicos y digitales. En los analógicos la salida varía de manera creciente continuamente y en los digitales la salida varía en pasos discretos.
Modo de funcionamiento: Se dividen en deflexión o comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud que se midió genera algún cambio o efecto físico, mientras que en el que funciona por comparación, éste trata de anular la deflexión por la aplicación de un efecto conocido, y es por ello que los sensores que funcionan por comparación son más exactos porque el efecto conocido opuesto se puede calibrar con un patrón de referencia.
Relación entrada-salida: Éstos pueden ser de orden cero, primer, segundo y orden superior. El orden se relaciona con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor e influye en su exactitud y velocidad de respuesta.
Magnitud medida: Para un gran número de sensores se tienen sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc.
Parámetro variable: Parámetros según la resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, entre otros.
Interferencias.
Son aquellas señales que afecten al sistema de medida producto del sistema utilizado para medir las señales de interés. También llamadas perturbaciones, las cuales pueden ser internas (que afecta al componente) o externas (que afecta el método de medida).
Compensación de errores
Son ajustes que se le efectúan al proceso para que el sistema opere de manera adecuada y brinde resultados más precisos. Una de ellas es el proceso de retroalimentación negativa el cual reduce el efecto de las perturbaciones internas.

4. Características estáticas de los sistemas de medida.
Exactitud: Es el grado de aproximación al valor verdadero que un instrumento tiene en relación a una medida.
Precisión: Es el grado de repetitividad de un instrumento a una magnitud.
Sensibilidad: Es la pendiente de la curva de calibración.
Linealidad: Es el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada. Pueden ser: independiente (la línea de referencia se obtiene por el método de los mínimos cuadrados), ajustada al cero (mínimos cuadrados que pase por cero), terminal, a través de los extremos y teórica (la recta es la definida por las previsiones teóricas formuladas al diseñar el sensor.)
Resolución: Es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida. (Valor mínimo detectable)
Histéresis: Es la diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en que se alcance.

5. Características dinámicas.
Estás características son importantes cuando la variable a medir cambia con el tiempo. Estas son:
Error dinámico: Es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida.
Velocidad de respuesta: indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada.

6. Características de entrada.
Se refiere al efecto de carga del sensor que ejerce el sistema sobre el proceso. Si la variable a medir se mide entre dos puntos, entonces es una variable de esfuerzo, y es necesario que la impedancia de entrada del sistema de medida sea alta. Si la variable a medir se pide en un punto, entonces es una variable de flujo, y se requiere que la impedancia de entrada sea baja.
La característica de entrada también tiene que ver con la impedancia de entrada, la cual es el cociente entre las transformadas de Laplace de una magnitud esfuerzo y su variable flujo asociada.
7. Errores en los sistemas de medida y su análisis
Se llama 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. Existen los errores sistemáticos, debidos a causas que podrían ser controladas o eliminadas. Por ejemplo usando aparatos que funcionen correctamente o calibrándolos antes de medir. Los errores aleatorios son fruto del azar o de causas que no se pueden controlar. Esta distribución de valores puede ser analizada por métodos estadísticos y esto permitirá objetivar un valor probable y una incertidumbre de la medida.
Dicho todo esto es primordial resaltar la importancia que tienen los errores en el sistema de medición, para establecer un margen de equivocación y conocer dicho margen, y aún más importante hacer un análisis de los mismos para que el sistema de medida sea el más confiable posible.

8. Incertidumbre de las Medidas
El resultado de cualquier medida es siempre incierto y a lo más que se puede aspirar es a estimar su grado de incertidumbre. La incertidumbre se origina a partir de elementos de datos falsos o de un equívoco, a partir de datos incompletos. El principio de incertidumbre dice que hay un límite en la precisión con el cual se puede determinar al mismo tiempo la posición y el momento de una partícula. Los errores de un sistema se determinan al aplicarle entradas conocidas y comparar su salida con la obtenida con un sistema de medida de referencia (calibración)

9. Error Sistemático
Es cuando en el curso de varias medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas condiciones, o permanece constante en valor absoluto y signo, o varía de acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida. Los errores sistemáticos son debidos al método de medida, del operario. Los errores sistemáticos se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones. Se pueden corregir durante el proceso de calibración del sensor.
10. Error Aleatorio
Producidos de forma fortuita y por tanto inevitables. Pueden evitarse realizando varias medidas. Permanecen una vez se eliminan las causas de los errores sistemáticos y son tanto menos probables cuanto mayor sea su valor.
11. Errores Estáticos y Errores Dinámicos
El error estático es la diferencia entre las señales de entrada y salida durante el período permanente. Se estudia con el teorema del valor final.
El error dinámico Es la diferencia entre las señales de entrada y salida durante el período que tarda la señal de respuesta en establecerse.
12. Forma de expresar los errores
Error Absoluto: Es la diferencia en positivo entre el valor exacto y el valor aproximado
Error Relativo: Es la relación o cociente que existe entre el error absoluto y la magnitud medida, es adimensional, y se expresa en porcentaje.
13. Cifras significativas
Son todos aquellos dígitos de una cifra que se conocen con seguridad.
14. Redondeo de Números
Consiste en hacer un cálculo aproximado para acercarse a la respuesta correcta de una operación matemática, reduciéndole al resultado el número de cifras manteniendo un valor parecido. Resulta más fácil y rápido estimar que obtener la respuesta exacta.
15. Errores de cero, ganancia y de no linealidad
Los errores de cero: Se presentan cuando el ajuste del cero de los instrumentos no está bien definido, es decir, cuando el instrumento de medida se encuentra descalibrado.
De ganancia: Es la diferencia entre la pendiente de la característica real y la ideal, se expresa en tanto por ciento por una entrada del fondo de escala y es proporcional al valor de la entrada.
De no linealidad: Es la máxima diferencia entre la característica de transferencia real con respecto a una línea recta. Es todo aquello que viola las reglas de la linealidad.
16. Estimación del Error de una Medida Directa
Mejor valor de un conjunto de Medidas
El mejor valor de un conjunto de medidas sería el promedio del proceso de medición, dado que en el mismo se obtienen valores diferentes aunque similares y ésta herramienta aritmética sería la más adecuada para establecer un mejor valor en la medida realizada.
Dispersión y Error. Desviación Estándar
También conocida como desviación típica, dice cuánto tienden a alejarse los valores puntuales del promedio en una distribución. De hecho, específicamente, la desviación estándar es "el promedio de la distancia de cada punto respecto del promedio". Se suele representar por una S o con la letra sigma.
Significado de la Desviación Estándar. La Distribución Normal
La desviación estándar de un conjunto de datos es una medida de cuánto se desvían los datos de su media. Esta medida es más estable que el recorrido y toma en consideración el valor de cada dato. La desviación estándar es igual a la raíz cuadrada de la diferencia entre las medidas al cuadrado menos el promedio, entre el número de medidas.
Medidas sin dispersión. Error de lectura o instrumental
Cuando se habla de lectura de un instrumento de medida, significa la referencia de la posición relativa del índice y de la graduación, en estas apreciaciones se comete un error de lectura debido al error de paralaje (la visual del operador no se encuentra perpendicular a la aguja del instrumento), al error del límite del ojo humano (distancia entre el instrumento y el observador) y al error de estimación (leer valor de la desviación encontrándose la aguja entre dos divisiones sucesivas de la escala).
Propagación de Errores
Expresa que cuanto menor sea el número de pasos intermedios que efectuemos para alcanzar la solución, menor será el error cometido.
Ajuste por mínimos cuadrados
Técnica de optimización matemática que, dada una serie de mediciones, intenta encontrar una función que se aproxime a los datos (un "mejor ajuste"). Intenta minimizar la suma de cuadrados de las diferencias ordenadas (residuos) entre los puntos generados por la función y los correspondientes en los datos. Específicamente, se llama mínimos cuadrados promedio (LMS) cuando el número de datos medidos es 1 y se usa el método de descenso por gradiente para minimizar el residuo cuadrado. Se sabe que LMS minimiza el residuo cuadrado esperado, con el mínimo de operaciones (por iteración). Pero requiere un gran número de iteraciones para converger.
Un requisito implícito para que funcione el método de mínimos cuadrados es que los errores de cada medida estén distribuidos de forma aleatoria.