Introducción a los sistemas de instrumentación - Luis León

Introducción a los Sistemas de
Instrumentación
Expositor: Luis León

 Sistemas de Instrumentación.
 Instrumentación Electrónica.
 Definiciones:
◦ Perturbación.
◦ Ruido.
◦ Estabilidad.
◦ Transitoriedad.
◦ Sensibilidad.
 Características de los Instrumentos Analógicos,
Digitales y Computarizados.

La instrumentación trata los sistemas integrados
cuya finalidad es medir magnitudes físicas de un
sistema externo, elaborar la información asociada
a ellas y presentarla a un Operador.

La Instrumentación Electrónica es la disciplina
que estudia los medios y los métodos de
procesado de datos relativos a magnitudes
físicas; empleando principios electrónicos para
llevar a cabo su propósito. Los instrumentos
electrónicos emplean sensores y transductores
con el fin de convertir la señal de un dominio físico
concreto al dominio eléctrico, procesable por los
instrumentos de medida.

La instrumentación trata los sistemas integrados
cuya finalidad es medir magnitudes físicas de un
sistema externo, elaborar la información asociada
a ellas y presentarla a un Operador.

Es la señal que afecta la respuesta real de un
sistema produciendo un error en la medida,
ejemplo los campos magnéticos, la inductancia
etc. según la sensibilidad individual.

Se entiende por ruido las componentes de
tensión o intensidad no deseables que se
superponen con la componente de señal que se
procesa o que interfiere con el proceso de
medida.

Es la capacidad de un instrumento para
mantener su comportamiento durante su vida útil
y de almacenamiento especificadas.

 Se puede definir como cambio brusco en las
variables de entrada en un sistema.

Representa el cambio producido en la variable de
salida o resultado de lectura del instrumento para
un determinado cambio en la entrada. Es decir,
es la razón entre el incremento de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona,
después de haberse alcanzado el estado de
reposo.

 Instrumentos Analógicos.
 Instrumentos Digitales.
 Instrumentos Computarizados

El instrumento analógico es aquel que para
procesar y calcular la variable medida, utiliza
directamente la señal tal cual es. Se refiere a las
magnitudes o valores que varían con el tiempo
en forma continua como la distancia y la
temperatura, la velocidad, que podrían variar
muy lento o muy rápido como un sistema de
audio.

Ventajas
 Bajo Costo.
 En algunos casos no requieren de energía de alimentación.
 No requieren gran sofisticación.
 Presentan con facilidad las variaciones cualitativas de los
parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o
disminuye.
 Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales.

Desventajas
 Tienen poca resolución, típicamente no proporcionan más de 3 cifras.
 El error de paralaje limita la exactitud a ± 0.5% a plena escala en el
mejor de los casos.
 Las lecturas se presentan a errores graves cuando el instrumento
tiene varias escalas.
 La rapidez de lectura es baja, típicamente 1 lectura/ segundo.
 No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento
de datos de tipo digital.

Es aquel que convierte la señal analógica en
señal digital para procesar y calcular la variable
medida. El proceso de la medición proporciona
una información discontinua expresada por un
número de varias cifras. La escala clásica de
indicación continua, es reemplazada por la
escala numérica de indicación discontinua, en la
cual las cifras alineadas a leer indican
directamente el valor numérico del grandor
medido; la indicación numérica se presenta a lo
largo del tiempo con un ritmo predeterminado.

Ventajas
 Tienen alta resolución alcanzando en algunos casos más de 9 cifras
en lecturas de frecuencia y una exactitud de + 0.002% en
mediciones de voltajes.
 No están sujetos al error de paralaje.
 Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas.
 Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturas
por segundo.
 Puede entregar información digital para procesamiento inmediato en
computadora.

Desventajas
 El costo es elevado.
 Son complejos en su construcción.
 Las escalas no lineales son difíciles de introducir.
 En todos los casos requieren de fuente de alimentación.

Son aquellos instrumentos que están basados en
un computador. El computador resuelve todos los
aspectos relativos al procesado de la señal, al
registro, a la transferencia y a la presentación de
la información. A estos equipos basados en
computador, se suelen llamar instrumentación
inteligente.

Características.
 Se puede registrar grandes cantidades de información de forma
automática y luego presentarla de forma integrada y amigable al
operador.
 Requiere el uso de transductores y circuitos analógicos que
acondicionen la señal a los niveles adecuados para ser codificada en
las mejores condiciones por el convertido A/D, sin embargo el
procesado, elaboración y presentación del resultado en la medida se
realizan utilizando software.
 Con la incorporación del computador, las señales que se adquieren
pueden ser procesadas sin límite de complejidad y sofisticación
utilizando técnicas numéricas, a fin de acondicionarla y extraer de
ella la información.
 El computador proporciona una amplia gama de recursos para
almacenar la información que se adquiere, así como para presentarla
 utilizando técnicas numéricas y gráficas.

Ventajas
 La mayor capacidad para procesar, almacenar y presentar la
información que se obtiene al poder utilizar métodos numéricos.
 Menor costo que resulta de la estandarización del hardware que se
requiere para construir los equipos.
 El incremento en la facilidad para diseñar y mantener los equipos
que requieren mas de expertos de programación y procesado
numérico de señales y menos de expertos en electrónica analógica.
 El uso del computador requiere la representación numérica de la
información analógica y continua en el tiempo que es propia de los
sistemas físicos. Ello conlleva resolver el proceso de discretización
sin que las perdidas de resolución y de rango dinámico sean
significativas

Rango:
Es el conjunto de los valores correspondientes a
la variable que es objeto de la medida, y que
están comprendidos dentro de los límites
superior e inferior de la capacidad de medida del
instrumento; se expresa mediante los valores
extremos.

Resolución:
Cuando un instrumento muestra una
determinada lectura de salida, existe un límite
inferior dado por el mínimo cambio en la entrada
o medida que produce un cambio observable en
la salida o lectura del instrumento. Por tanto, la
resolución es la menor porción de señal que
puede ser observada.

Resolución en equipos analógicos:
Suele expresarse como un valor absoluto
(algunas veces como porcentaje del fondo de
escala), y viene dada también por la "fineza" con
que la escala indicadora de salida se subdivide.

Resolución en equipos digitales:
La mayoría de los instrumentos digitales actuales
incorpora un convertidor analógico/digital (CAD)
que determina su resolución. Existen varias
formas de caracterizarla: bits, dígitos y cuentas.
La denominación "1/2 dígito" significa que el
dígito más significativo del indicador numérico
del instrumento (formado por circuitos
convertidores del código BCD al de 7
segmentos) sólo puede ser 0 ó 1 para rangos
unipolares, y 2 para rangos bipolares.

Sensibilidad:
Representa el cambio producido en la variable de
salida o resultado de lectura del instrumento para
un determinado cambio en la entrada. Es decir,
es la razón entre el incremento de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona,
después de haberse alcanzado el estado de
reposo.

Sensibilidad en instrumentos analógicos:
Para instrumentos analógicos, la sensibilidad se
define como el cociente entre la deflexión
observada en la escala y el valor medido que
ocasiona la deflexión.

Sensibilidad en instrumentos digitales:
La definición más frecuente involucra de nuevo al
convertidor A/D de la unidad electrónica digital.
En este caso, la sensibilidad se define como el
cociente entre el menor rango y la resolución en
cuentas, y se especifica en las unidades del
parámetro medido.

Calibración:
La calibración establece las especificaciones de
precisión del instrumento. Éstas pueden variar
con el tiempo y los agentes ambientales, por lo
que su ritmo de degradación debe quedar
explícito en una calibración exigente.

Error sistemático:
El error absoluto o incertidumbre es la diferencia
entre el valor leído o transmitido por el
instrumento y el valor real de la variable medida.
En condiciones de régimen permanente recibe el
nombre de error estático o sistemático.

Repetibilidad:
Es la capacidad de medir la misma entrada
obteniendo los mismos valores de salida o
lecturas del instrumento sucesivamente, en las
mismas condiciones operativas y en el mismo
sentido de variación.

Exactitud y precisión:
Se deben diferenciar bien estos 2 términos, ya
que son diferentes. Una alta precisión significa
un firme agrupamiento de valores al redor de un
valor central que se considera como el valor real
de la medición; la exactitud nos da una idea del
grado de a proximidad x el cual un valor medido
concuerda con el valor verdadero de la medición.

La Repetibilidad:
Es la capacidad del sistema de dar el mismo
valor de la magnitud medida cuando se realizan
distintas medidas en las mismas condiciones. La
repetibilidad está caracterizada por la desviación
típica σ de la medida.

La histéresis:
Es el fenómeno por el cual el valor medido
depende del sentido en el que se alcance el
punto de medida. Por ejemplo, un transductor de
desplazamiento puede no medir lo mismo si el
desplazamiento está aumentando o
disminuyendo.

La estabilidad:
Es su capacidad de mantener fija la curva de
respuesta estática a lo largo del tiempo. En
sistemas lineales la estabilidad puede
cuantificarse dando la deriva del cero (cambio a
lo largo del tiempo del término independiente en
la función de respuesta) y la deriva de la
sensibilidad (cambio a lo largo del tiempo de la
sensibilidad).

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