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Sistemas de medida
 

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    Sistemas de medida Sistemas de medida Presentation Transcript

    • TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE MEDIDABibliografía: Sensores y acondicionadores de señal Pallás Areny, R. Marcombo, 1994 Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición Cooper, W.D. y otro Prentice-Hall, 1990 Componentes electrónicos Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Siemens Marcombo,1987 Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática. Hojas de características de los fabricantes Universidad de Castilla – La Mancha
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Disciplina que se encarga del estudio de los sistemas de medida que utilizan procedimientos electrónicos. SISTEMAS DE MEDIDA Se denomina sistema a la combinación de dos o más elementos con el fin de realizar una o varias funciones. En los sistemas de medida, esta función es la asignación de un número a la propiedad o cualidad que se pretende medir, de tal forma que la describa cuantitativamente. El resultado de la medida debe ser: Objetivo (independiente del observador) Empírico (basado en la experimentación) Los objetivos de la medida pueden ser: La vigilancia o seguimiento de un proceso Ej.: medida de la temperatura ambiente (termómetro) El control de un proceso Ej.: Mantenimiento de la temperatura de un recinto (termostato) 2
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 ESTRUCTURA GENÉRICA DE UN SISTEMA DE MEDIDA Y CONTROL Estudiaremos en Instrumentación Electrónica Transmisión Acondicionador de señales Sensor CAD Presentación visual Proceso bajo Perturbaciones Procesador control Condiciones externas DAC Actuador Transmisión Acondicionador de señales Automatización Industrial 3
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 MAGNITUDES Y MEDIDAS. Una magnitud es una propiedad física susceptible de ser medida. Temperatura, presión, velocidad, corriente, etc... En el mundo físico existen seis tipos de magnitudes: Mecánicas ( Ej.: velocidad, fuerza, presión) Térmicas (Ej.: temperatura, cantidad de calor) Magnéticas (Ej.: intensidad de campo magnético, flujo) Eléctricas (Ej.: tensión, corriente) Ópticas (Ej.: color, intensidad luminosa) Moleculares o químicas (Ej.: concentración de una sustancia, acidez) Medir es comparar la cantidad (de una magnitud) con su respectiva unidad, con el fin de averiguar cuántas veces la segunda está contenida en la primera. Unidad de longitud Longitud = 6 Unidades Esta forma de medir se denomina directa. En las medidas indirectas la cantidad de interés se calcula a partir de otras medidas aplicando la ley que las relaciona. Es el caso, por ejemplo, de la medida de la potencia como producto de la tensión y la corriente. 4
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 TRANSDUCTORES, SENSORES Y ACTUADORES. En el sentido más amplio, una señal es la variación temporal de una magnitud. Así, podemos hablar de la señal asociada a una tensión, una corriente, una fuerza, una velocidad, ... Un transductor es un dispositivo que convierte la señal de entrada procedente de una magnitud física, en una señal de salida asociada a una magnitud física de otro tipo. Es decir, la señal de entrada y la de salida son de tipos diferentes y están relacionadas por una ley, normalmente, de proporcionalidad. Siempre se produce una transformación de energía: Térmica→mecánica, magnética→mecánica, óptica→eléctrica, mecánica→eléctrica, ... Ejemplo: tensión (mV) fuerza (Nw) Transductor + Fuerza de Tensión fuerza - tiempo (S) tiempo (S) 5
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 TRANSDUCTORES, SENSORES Y ACTUADORES. (Continuación) Aunque la transducción puede ser entre dos tipos cualesquiera de señal, normalmente sólo se usan los transductores que ofrecen una señal de salida eléctrica o bien que tienen como entrada una señal eléctrica. Transductor de entrada: magnitud física → señal eléctrica Transductor de salida (actuador): señal eléctrica → magnitud física Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio en el que se mide, proporciona una señal de salida transducible que es función de la magnitud que se pretende medir. Como se puede ver, la definición de sensor engloba a la de transductor de entrada. De modo que podríamos llamar sensor a cualquier transductor de entrada, pero para que un sensor pueda ser denominado transductor es preciso que las magnitudes de entrada y salida sean de tipos diferentes. El término sensor sugiere un significado más amplio; un sensor proporciona la capacidad para medir cantidades físicas que, por su tamaño o naturaleza, no pueden ser directamente observadas o transducidas a una señal eléctrica. En la obtención de una señal eléctrica función de una magnitud física cualquiera se pueden dar los siguientes casos: Magnitud Señal Magnitud Trans- Señal Magnitud Sensor Trans- Señal Sensor física eléctrica física ductor eléctrica física primario ductor eléctrica Actualmente se emplea el termino sensor para referirse a cualquiera de los casos anteriores 6
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 TRANSDUCTORES, SENSORES Y ACTUADORES. (Continuación) Magnitud Señal Magnitud Trans- Señal Sensor física eléctrica física ductor eléctrica Ej.: Medida de la corriente por una línea Ej.: Medida de temperatura utilizando una RTD utilizando una resistencia de bajo valor. (Detector de Temperatura Resistivo). Intensidad Vcc + Resistencia + calibrada Tensión de salida Temperatura RTD Tensión de salida - - 7
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 TRANSDUCTORES, SENSORES Y ACTUADORES. (Continuación) Magnitud Sensor Trans- Señal física primario ductor eléctrica Ej.: Sensor de aceleración basado en el uso de un gas Transductor de presión diferencial Sensor primario ∆P con salida en tensión F = ma F m Gas ∆P = = a S S m : masa del émbolo En reposo Émbolo móvil S : sección del émbolo Tensión (mV) ∆P ∆P Aceleración Movimiento acelerado Movimiento decelerado 8
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES. El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que, para proceder racionalmente a su estudio, es preciso clasificarlos previamente según algún criterio. Según el aporte de energía: Moduladores y generadores. Moduladores: La energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de la fuente de alimentación. La magnitud de entrada solamente controla (o modula) el nivel de la señal de salida. Ejemplo: Resistencia variable con la temperatura (RTD) Generadores: La energía de salida del sensor es suministrada por el medio en el que se mide a través del propio sensor. Ejemplo: Termopares, sensores fotovoltaicos (células solares) Según la señal de salida: Analógicos y digitales. Analógicos: La señal de salida varía de forma continua. Normalmente la información está contenida en la amplitud de dicha señal. Digitales: La señal de salida varía de forma discreta; toma un valor de entre un conjunto finito. Según la magnitud a medir: De temperatura, de presión, de fuerza, de desplazamiento, de velocidad, de aceleración, de humedad, y de un sin fin de magnitudes susceptibles de ser medidas. 9
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES (continuación). Según el modo de funcionamiento: de deflexión y de comparación. De deflexión: La magnitud medida, produce algún efecto físico que ocasiona una reacción en el sensor asociada a una variable útil fácilmente medible. Ejemplo: En un dinamómetro, una fuerza (magnitud a medir) deforma el muelle hasta que la fuerza de recuperación, proporcional al incremento de longitud (variable útil), iguala la fuerza aplicada. De comparación: Se intenta anular el efecto de la magnitud a medir, aplicando una magnitud bien conocida que induce un efecto contrario hasta restablecer el equilibrio. Siempre hay un detector del desequilibrio y un medio para anularlo. Ejemplo: Una balanza manual. La colocación de la masa a medir en un platillo provoca un desequilibrio indicado por una aguja. El operario coloca pesas, de masa conocida, en el otro platillo hasta anular el desequilibrio. Según el parámetro variable: Resistencia, capacidad, inductancia, tensión, corriente, etc. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, esta es la clasificación más útil. Pues permite reducir el número de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los circuitos de acondicionamiento asociados, que son similares para todos los sensores en los que el parámetro variable es el mismo. 10
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA ELECTRONICOS. Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico en un material tiene como consecuencia la modificación de un parámetro eléctrico. Eligiendo el material adecuado, esto permite construir sensores para cualquier magnitud física. En el proceso de medida no conviene extraer energía del sistema donde se mide, de modo que es preciso amplificar la señal de salida del sensor. Utilizando amplificadores electrónicos se pueden obtener fácilmente ganancias de potencia de 1010 en una sola etapa a baja frecuencia. Además de la amplificación, existe una gran variedad de recursos, en forma de circuitos integrados, para acondicionar o modificar las señales eléctricas. Incluso hay sensores que incorporan en un mismo encapsulado parte de estos recursos. Con procedimientos electrónicos, existen numerosas formas fiables y baratas de presentar y almacenar información. La transmisión de señales eléctricas es más versátil que la de señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas. 11
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA. Las características estáticas describen el comportamiento de un sensor o sistema de medida cuando la magnitud a medir permanece constante en el tiempo o varía tan lentamente que se puede considerar constante. Exactitud o precisión: Indica la capacidad de un sensor o un instrumento de medida para dar lecturas que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. Se considera que el verdadero valor es el que se obtendría si la magnitud se midiera con un método ejemplar. Es decir, aquel que presente una exactitud, al menos, diez veces mayor que la que se considere necesaria para la medida de dicha magnitud. La exactitud de un sensor se determina mediante la obtención de la denominada curva de calibración. Utilizando un patrón de referencia, se hace que la magnitud a medir tome sucesivos valores constantes dentro del margen de medida y se van anotando los valores que toma la salida del sensor. Se obtiene de esta forma la curva de calibración. El grado de concordancia entre la curva de calibración obtenida experimentalmente y la curva de calibración ideal define la precisión del sensor o instrumento de medida. La diferencia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor se denomina error absoluto. A veces se expresa como porcentaje del fondo de escala. Error Absoluto = resultado – verdadero valor 12
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Exactitud o precisión: (Continuación) Lo más frecuente es especificar el error, de forma relativa, como cociente entre el error absoluto y el verdadero valor. Error absoluto Error relativo = Verdadero valor En otras ocasiones el error se expresa, también de forma relativa, separado en dos términos: uno constante (K) normalmente expresado como porcentaje del fondo de escala y otro variable (V) dado como porcentaje de la lectura. Curva de calibración de un sensor de fuerza con salida en tensión (mV) El término K representa la diferencia en el origen entre la curva de calibración V 15 ideal y real. El término V representa el error subyacente, en la curva de calibración real, después de eliminar el término K. 10 El fabricante determina estos errores de forma estadística y asegura que Curva de cualquier sensor individual presenta un 5 calibración error inferior o igual al especificado en ideal las hojas de características. K 10 20 30 40 (Nw) 13
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Exactitud o precisión: (Continuación) Para poder comparar varios sensores entre sí en cuanto a su exactitud, se introduce el concepto de clase de precisión. Todos los sensores de una misma clase tienen el mismo error en la medida, que se denomina índice de clase. Este es el error de medida porcentual referido a la amplitud del margen de medida o al fondo de escala. Así, un sensor de posición de clase 0.2 y un fondo de escala de 10mm presenta un error inferior a 0.02mm. El valor medido y su error deben darse con valores numéricos compatibles. El resultado numérico de la medida no debe tener más cifras significativas de las que se puedan considerar válidas a la luz de la incertidumbre sobre dicho resultado. Incorrecto Correcto 127.1±1 127 ±1 127 ±0.1 127.0 ±0.1 127.00 ±0.5 127 ±0.5 ó 127.0 ±0.5 127.30 ±0.2 127.3 ±0.2 127.002 ±0.01 127.00 ±0.01 14
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Fidelidad: Indica la capacidad de un instrumento de medida para dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en las mismas condiciones, prescindiendo de su concordancia o discrepancia con el verdadero valor. Nos da idea de la dispersión en las medidas manteniéndose constante la magnitud medir. Es una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud. Valor medio de los resultados Verdadero valor Verdadero valor Valor medio de los resultados XXXXXXXX X X X X X X X X Mayor fidelidad y mayor error Menor fidelidad y menor error Repetibilidad: Indica el mismo hecho que la Fidelidad, pero cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto. Reproducibilidad: Se refiere también al grado de coincidencia entre diferentes lecturas, pero en este caso, separadas temporalmente en un largo plazo y en condiciones diferentes. Cuantitativamente se expresa: |LecturaI – LecturaJ | < d con una probabilidad del x%. Las diferencias entre lecturas tienen una distribución en campana de gauss. Cuando el comportamiento del sensor se modifica al variar un factor ambiental (temperatura, presión, tiempo, etc) se dice que el sensor presenta derivas con respecto a dicho factor. Normalmente se expresa en unidades de la magnitud de salida del sensor por unidad del factor considerado (Ej.: 0.01mv / ºc) 15
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensibilidad: Expresa la repercusión que tiene en la salida del sensor un incremento en la magnitud de entrada. En las inmediaciones del punto xa, un incremento en el y = f(x) valor de la entrada (∆Xa) produce un incremento en la salida del sensor (∆Ya). Estos dos valores están relacionados por x Sensor y la tangente del ángulo α que es la denominada sensibilidad en Xa. y En general, la sensibilidad de un sensor para un valor Curva de calibración cualquiera xi de la magnitud de entrada, es igual a la Tangente derivada de la curva de calibración en xi. α S(xi) = dy / dx | x = xi Normalmente, interesa tener una sensibilidad alta y ∆ Ya = Tg ( α ) x ∆ X a constante. Si la sensibilidad es constante se dice que el sensor es xa x lineal. En ocasiones, por simplicidad, un comportamiento S(x) Derivada de la curva de ligeramente no lineal es interpretado como lineal. El error calibración que introduce esta simplificación se denomina error de linealidad y se suele expresar como porcentaje del fondo S(xa) de escala. Con el uso de sistemas de adquisición programables, la xa x linealidad del sensor no es un factor esencial. Ej.: y(x) = kx + b S(x) = k (constante), y(x) = kx2 + b S(x) = 2kx (variable) 16
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Resolución o discriminación: Es el incremento mínimo de la magnitud de entrada que provoca un cambio en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero se denomina umbral. Histéresis: Algunos sensores presentan un comportamiento análogo al de los materiales ferromagnéticos cuando son magnetizados. Un mismo valor de la magnitud de entrada puede provocar salidas diferentes dependiendo del sentido en el que se haya modificado la entrada (creciente o decreciente) hasta alcanzar dicho valor. mV En la figura se muestra la Error por histéresis curva de calibración de un sensor de presión que presenta histéresis y que tiene la salida en tensión. PI Kg/cm2 17
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Errores sistemáticos: Se dice que un error es sistemático cuando en el curso de varias medidas, hechas en las mismas condiciones, permanece constante en valor absoluto y signo, o bien varía de acuerdo con una ley definida al cambiar las condiciones de medida. Un error sistemático produce, pues, un sesgo en las medidas. La calibración estática de un sensor permite detectar y corregir este tipo de errores. La presencia de errores sistemáticos puede descubrirse midiendo la misma magnitud con instrumentos distintos, o con dos métodos distintos, o cambiando de forma ordenada las condiciones de medida y viendo su efecto en el resultado. Ej.: Error sistemático cometido al medir la temperatura con una resistencia RTD en un puente de Wheatstone. RS = R0(1 + KT) A la temperatura de referencia (TR) R1/R2 = R3/RS Las tolerancias en el valor de las resistencias hacen que en T=TR VS sea distinto de cero. Este error sistemático se puede eliminar (calibración) con el potenciómetro de ajuste (POT). No obstante, al ser el coeficiente de temperatura de las resistencias del puente mayor que cero, subsiste un error sistemático dependiente de la temperatura. 18
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Errores aleatorios: Se manifiestan cuando se mide repetidamente la misma magnitud y no se obtiene el mismo resultado. Permanecen una vez eliminadas las causas de errores sistemáticos. Los errores aleatorios positivos y negativos de igual valor absoluto tienen la misma probabilidad de producirse. Son tanto menos probables cuanto mayor sea su valor. Al aumentar el número de medidas, la media aritmética de los errores de una muestra tiende a cero. Esta es una forma de filtrarlos. Los errores aleatorios se denominan también errores accidentales o fortuitos y son difícilmente evitables. 19
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LOS SITEMAS DE MEDIDA. Las características dinámicas describen el comportamiento de un sensor o sistema de medida cuando la magnitud a medir es variable en el tiempo. La presencia de inercias (masas, inductancias, ...), capacidades (eléctricas, térmicas, ...) y, en general, elementos que almacenan energía, hace que la respuesta de un sensor a señales de entrada variables sea distinta a la que presenta cuando las señales de entrada son constantes. El comportamiento dinámico de un sensor viene descrito por su función de transferencia. Según la función de transferencia se puede establecer la siguiente clasificación: Sistemas de orden cero, y(t) = k x(t) Ejemplo: potenciómetro lineal como sensor de posición. Se supone que la masa del cursor es muy pequeña y, por tanto su inercia es despreciable. Sistemas de orden uno, a1(dy(t)/dt)+a0y(t) = x(t), o también y(t)=(1/a0)x(t)-(a1/a0)dy(t)/dt El término k=1/a0 es la denominada sensibilidad estática y τ=a1/a0 se conoce como constante de tiempo del sistema. En un sensor de primer orden hay un elemento que almacena y disipa energía. Ejemplo: sensor de temperatura basado en RTD. En este caso, cuando la temperatura del medio aumenta, el sensor almacena energía y cuando disminuye la devuelve al medio. En un sensor de orden N hay N elementos que almacenan y disipan energía. 20
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS. (Continuación) Para caracterizar el comportamiento de un sensor ante una magnitud de entrada variable en el tiempo se definen dos parámetros: Error dinámico y Retardo. Error dinámico: es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la magnitud medida, siendo nulo el error estático. Retardo: indica la rapidez con la que el sensor responde a los cambios en la magnitud de entrada. En los sistemas de orden cero, al no haber almacenamiento de energía, [y(t)=kx(t)] la salida sigue fielmente a la entrada y estos dos errores son nulos. Veamos lo que ocurre con un sensor de temperatura basado en una RTD con una masa no despreciable (primer orden) cuando es sometido a una entrada de tipo escalón y de tipo rampa. y(t) Kx(t) = KT Kx(t) = Km·t y(t) Kx(t) Kx(t) mτ Retardo = τ y(t) = KT(1-e-t/τ) y(t) 0.63KT Error din. = KTe-t/τ (tiende a cero) y(t) = Kmt - mτ(1-e-t/τ) Retardo = τ Error din. = mτ(1-e-t/τ) (tiende a mτ) τ tiempo τ tiempo 21
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA: IMPEDANCIA. Las variables que representan a las magnitudes Variables Variables físicas que intervienen en cualquier proceso de no mecánicas mecánicas medida se incluyen en uno de estos dos grupos: Si se miden Si se miden Variables esfuerzo Variables entre dos puntos en un punto Variables flujo. esfuerzo o regiones del o región del espacio espacio Son, por ejemplo, variables esfuerzo la tensión eléctrica, la presión, la temperatura, la fuerza y el Si se miden Si se miden en entre dos par mecánico. Variables un punto o puntos o Son variables flujo la corriente eléctrica, el caudal, flujo región del regiones del la velocidad, etc. espacio espacio En todo proceso de medida es inevitable la extracción de una cierta cantidad de energía del sistema en el que se mide. Cuando, debido a esta circunstancia, la magnitud medida queda alterada, se dice que hay un error por carga. Ejemplo: si para medir la temperatura de un líquido se emplea un termómetro, en el que la masa del elemento sensor es comparable a la masa del líquido, al poner en contacto el sensor con el líquido lo enfriará, y obtendremos una lectura de la temperatura inferior a la que realmente tenía el líquido antes de hacer la medida. 22
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA: IMPEDANCIA. (Continuación) En el proceso de medida de una variable X1 siempre interviene además otra variable X2. Una de ellas será de tipo flujo y la otra de tipo esfuerzo, de manera que el producto X1*X2 tendrá dimensiones de potencia. Así, al medir una fuerza interviene una velocidad (se produce un desplazamiento en un tiempo), al medir un caudal hay una caída de presión, al medir una temperatura hay un flujo de calor, al medir una corriente eléctrica se produce una caída de tensión, etc. En todos estos casos, el producto de las dos variables asociadas tiene dimensiones de potencia. La impedancia de entrada (Z) del sensor sería el cociente entre la variable esfuerzo y la variable flujo. Por ejemplo: Z_sensor_fuerza = Fuerza / Velocidad, Z_sensor_corriente = ∆V / Corriente Para que la potencia que se extrae en la medida de X1 sea pequeña, hay que reducir en lo posible el producto X1*X2, es decir, hay que minimizar el valor de X2. Por tanto: En un sensor de una variable esfuerzo X1, la impedancia de entrada (Z=X1/X2) debe ser alta. En un sensor de una variable flujo X1, la impedancia de entrada (Z=X2/X1) debe ser baja o lo que es lo mismo la admitancia debe ser alta. Por ejemplo, un sensor que mida tensión eléctrica debe extraer poca corriente y un sensor que mida corriente eléctrica debe ocasionar una caída de tensión pequeña. Queda, pues, bien claro que no se puede aplicar un sensor directamente sin considerar el efecto de su presencia en el sistema del que se desea obtener información. 23
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR EN LA ELECCION DE UN SENSOR Magnitud a medir Características de entrada/salida Margen de medida Sensibilidad Resolución Tipo: tensión, corriente, frecuencia Exactitud deseada Forma de la señal: unipolar, flotante, diferencial Estabilidad ancho de banda Impedancia de entrada y salida Tiempo de respuesta Destino: presentación analógica, digital, telemedida límites absolutos de la magnitud a medir Magnitudes interferentes Características ambientales Margen de temperatura Características de alimentación Humedad Tensión Vibraciones Corriente Agentes químicos Potencia disponible Atmósfera explosiva Frecuencia (si alterna) Entorno electromagnético Estabilidad Otros factores Peso Tiempo de instalación Dimensiones Situación en caso de fallo Vida media Coste de Verificación Coste de adquisición Coste de mantenimiento Disponibilidad Coste de sustitución 24
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 SENSORES PRIMARIOS. Un sensor primario es un dispositivo que permite obtener una señal transducible a partir de la magnitud física a medir. Las magnitudes de entrada y de salida son de tipo no eléctrico. Seguidamente mostraremos ejemplos para la medida de algunas magnitudes. Bimetal como sensor de temperatura. Un bimetal es una pieza formada por dos láminas de metales con diferente coeficiente de dilatación térmica (α) unidos firmemente, por ejemplo, mediante soldadura autógena. Cuando se produce un cambio de temperatura, un metal se dilata más que el otro y el bimetal se curva. La curvatura es función del incremento de temperatura. Estos elementos se utilizan ampliamente en todo tipo de sistemas de medida y control en los que interviene la temperatura. 25
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensores de presión. La medida de presiones en líquidos o gases es una de las necesidades más frecuentes, particularmente en el control de procesos. Tubos Bourdon Manómetro de columna P − P ref h= ρg ρ: densidad del líquido El tubo Bourdon (desarrollado por Eugene Bourdon en g: aceleración 1849) consiste en un tubo metálico de sección de la gravedad transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior. Si se cierra el tubo por un extremo y se empotra rígidamente el otro, esta tendencia a recuperar la sección circular provoca un desplazamiento del extremo libre. 26
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensores de presión. (Continuación) Cápsula para la medida de presión 27
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensores de presión. (Continuación) Fuelle para la medida de presión 28
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensores de flujo y caudal. Se denomina flujo al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o cerrados. El caudal es la cantidad de material (en peso o volumen) que fluye por unidad de tiempo. Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de materia y energía mediante fluidos, bien sea para el control de dichos procesos o como simple indicación con la finalidad de determinar tarifas, como sucede en los casos de agua, gas, gasolina, etc. Los caudalímetros de obstrucción son los más utilizados. Su funcionamiento se basa en la inserción de un elemento en el canal que provoca una restricción de flujo de área fija o variable. En dicho elemento se produce una caída de presión o una variación del área, respectivamente, que es función del caudal. Caudalímetro de obstrucción Caudalímetro de obstrucción de área fija de área variable: rotámetro X=f(caudal) ∆P=f(caudal) 29
    • Introducción a los sistemas de medida Juan Enrique García Sánchez, Octubre 2002 Sensores de nivel. Existen multitud de mecanismos que pueden ser utilizados como sensores de nivel. En la figura se muestra un ejemplo basado en el uso de un flotador, un contrapeso y una polea graduada. Con un potenciómetro solidario con el eje de la polea se tendría una resistencia cuyo valor sería proporcional al nivel. Sensores de fuerza y par. Un método para medir una fuerza (o un par) consiste en medir el efecto de la fuerza sobre un elemento elástico, denominado célula de carga. En las células de carga eléctricas, el efecto es una deformación o desplazamiento. En las células de carga hidráulicas y neumáticas, el efecto es un aumento de la presión de un líquido o un gas respectivamente. Al aplicar un esfuerzo mecánico a un elemento elástico inmóvil, éste se deforma hasta que las tensiones generadas por la deformación igualan a las debidas al esfuerzo aplicado. El resultado es un cambio en las dimensiones del elemento proporcional al esfuerzo. Voladizo Muelle Barra de torsión 30