Definiciones pertinentes a la Instrumentación y control

Instrumentos de medida

Un instrumento de medición es una herramienta que se usa para medir una magnitud física.

La medición es el proceso que permite obtener y comparar cantidades físicas de objetos y fenómenos del mundo real

Características 

Las características que definen el comportamiento de los instrumentos son las siguientes:

Error

Se lo define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero.

Gama y escala

La gama de un instrumento se define como la diferencia entre el máximo y menor  valor medible que puede ofrecer el instrumento. La gama puede estar dividida en varias escalas o constar de una sola. Por ejemplo.

Clasificación de los instrumentos de medición 

Existe una gran variedad de instrumentos de medición, por lo tanto se pueden clasificar de diferentes maneras ya sea por medición lineal y angular, medidores directos e indirectos, en este caso los vamos a clasificar según la magnitud física que evalúan.

Longitudes

Flexometro  

• Flexometro
• Vernier
• Micrometro
• Comparador        

Masas

• Balanza
• Bascula
• Catarómetro  

  

  Balanza

Tiempo

• Cronometro
• Reloj atómico
• Datación radiométrica

Ángulos

• Goniómetro     

  

  Goniómetro  

• Sextante
• Transportador     

Temperatura

• Termómetro
• Pirómetro

Presión                                              

• Barómetro
• Manómetro     

  

  Manómetro

Flujo

• Caudalímetro

Propiedades eléctricas

• Electrómetro
• Amperímetro
• Galvanómetro
• óhmetro
• Voltímetro      

  

  Amperímetro

• Wattmetro    
• Multímetro
• Puente de Wheatstone
• Osciloscopio

Otras magnitudes 

• Colorímetro
• Espectroscopio
• Contador geiger
• Radiómetro
• Sismógrafo
• PHmetro
• Pirheliómetro
• Medidor de altura
• Indicador de caratula  

  

  PHmetro

• Torquimetro
• Dilatómetro
• Tacómetro
• Galgas para roscas y espesores
• Rugosímetro
• Durómetro
• Anemómetro

Sensor 

Es un dispositivo que esta capacitado para detectar acciones o estímulos externos para convertirlo en señal eléctrica.

Una magnitud física puede ser una resistencia eléctrica (como u detector de temperatura), una capacidad eléctrica (como un sensor de humedad), una corriente electrica (como un transitor sensible a la luz)

Tipos de Sensores

Existen diferentes tipos de sensores, en función del tipo de variable que tengan que medir o detectar:

Sensores de contacto 

Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición límite de componentes mecánicos. Por ejemplo: saber cuando una puerta o una ventana que se abren automáticamente están ya completamente abiertas y por lo tanto el motor que las acciona debe pararse.

Sensores Ópticos

Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.Los principales sensores ópticos son las fotorresistencias, las LDR(resistor dependiente de la luz)

Las LDR son muy útiles en robótica para regular el movimiento de los robots y detener su movimiento cuando van a tropezar con un obstáculo o bien disparar alguna alarma. También sirven para regular la iluminación artificial en función de la luz natural.

Sensores de temperatura 

Se trata de resistencias cuyo valor asciende con la temperatura (termistor PTC) o bien disminuye con la temperatura (termistor NTC).
Por lo tanto, depende de la temperatura que el termistor permita o no el paso de la corriente por el circuito de control del sistema.
El símbolo y la apariencia de un termistor es:

Sensores de humedad 

Los sensores de humedad se aplican para detectar el nivel de líquido en un depósito, o en sistemas de riego de jardines para detectar cuándo las plantas necesitan riego y cuándo no.

Sensores magnéticos

Detecta los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El principal es el llamado interruptor Reed. El interruptor Reed puede sustituir a los finales de carrera para detectar la posición de un elemento móvil, con la ventaja de que no necesita ser empujado físicamente por dicho elemento sino que puede detectar la proximidad sin contacto directo. Esto es muy útil cuando interesa evitar el contacto físico, por ejemplo para detectar el nivel de agua de un depósito sin riesgo de cortocircuitos. 

Transmisor

 El transmisor es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador. Es un equipo que emite una señal, código o mensaje a través de un medio. 

Para lograr una sesión de comunicación se requiere: un transmisor, un medio y un receptor.

Tipo de transmisores 

Transmisor neumático 

Es un dispositivo mecánico que convierte un desplazamiento mecánico en variaciones proporcionales de presión. Estos transmisores se basan en un sistema tobera-obturador, que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.

Transmisores electrónicos 

Son generalmente de equilibrio de fuerzas, consiste en su forma más sencilla de una barra rígida apoyada en un punto sobre la que actúan dos fuerzas en equilibrio.

Transmisores inteligentes

Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado.

Señal digital 

Son variables eléctricas con dos niveles bien diferenciados que se alternan en el tiempo transmitiendo información según un código previamente acordado. 

Cada nivel eléctrico representa uno de dos símbolos: 0 ó 1, V o F 

Las señales digitales descriptas tienen la particularidad de tener sólo dos estados y por lo tanto permiten representar, transmitir o almacenar información binaria. Para transmitir más información se requiere mayor cantidad de estados, que pueden lograrse combinando varias señales en paralelo (simultáneas), cada una de las cuales transmite una información binaria.

la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo. 

Sus parámetros son:

Señal análoga 

Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético; que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo.

Las señales analógicas se pueden clasificar en simples o compuestas. Una señal analógica simple, o una onda seno, no pueden ser descompuestas en señales más simples. Una señal analógica compuesta está  formada por múltiples ondas seno.

La amplitud indica la altura de la señal, el periodo se refiere a la cantidad de tiempo, en segundos, que necesita una señal para completar un ciclo. La frecuencia indica el número de periodos en un segundo. 

Controlador 

Los controladores industriales son equipos o sistemas que permiten automatizar procesos productivos para mejorar tiempos de ejecución, bajar tasas de fallo y operar en ambientes peligrosos, sin la necesidad de la intervención humana.

“Existen diferentes tipos de controladores industriales, para distintas aplicaciones, pero todos ellos usan el mismo principio de funcionamiento: miden las variables de un proceso a través de sensores, que entregan esa información a una unidad de procesamiento que compara el valor medido con el esperado, ejecutando algoritmos de control que determinan cómo se modifica el valor de las variables que actúan como entradas del proceso a controlar” 

 PLC, o controlador lógico programable. Originalmente diseñados para ejecutar lógica binaria, hoy son capaces de controlar procesos de cualquier tipo y tamaño. Pueden programarse en varios lenguajes.

Actuador

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control, como por ejemplo una válvula. Son los elementos que influyen directamente en la señal de salida del automatismo, modificando su magnitud según las instrucciones que reciben de la unidad de control.

Existen varios tipos de actuadores como son:

Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico.

Exactitud

 En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de acercarse al valor de la magnitud real. La exactitud es diferente de la precisión.

De acuerdo con la norma ISO 5725-1, el término general “exactitud” se utiliza para describir la cercanía de una medición al valor verdadero.

Precisión

Incertidumbre

No es posible hacer mediciones absolutamente exactas.

• Por consiguiente toda medición tiene un margen de duda. 

• La incertidumbre de medición es el valor de ese margen de duda

Si ese margen de duda es muy pequeño la incertidumbre es también muy pequeña. Si ese margen de duda es grande la incertidumbre es también grande.

La calidad de la medición la establece justamente la Incertidumbre. 

• Si la Incertidumbre es bien calculada y es suficientemente pequeña podemos decir que la medición es de buena calidad .

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Error de medida

El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Este afecta a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas 

• la influencia del operador
• la variación entre operadores
• las diferencias entre las piezas a medir                     
•  variación del equipo de medición y del método seguido

 En todo momento se desearía que el error fuese cero, pero nunca ocurre así, ya que los instrumentos se van deteriorando por el transcurso del tiempo y es necesaria una calibración cada cierto tiempo

El error de exactitud 

Es la desviación existente entre la media de los valores observados y el valor real. Es un error sistemático que puede ser positivo o negativo, equivaliendo al valor que hay que corregir para calibrar el equipo, o sea ajustarlo a su valor verdadero.

El error de precisión se calcula partiendo de la realización de un número de mediciones en una misma pieza o patrón, las cuales variarán entre ellas, siendo por tanto este error de tipo aleatorio. Esta dispersión es inherente a todos los equipos de medida, debido a las holguras de sus mecanismos, variaciones en la fuente de alimentación de un circuito eléctrico, etc. Se suele dar en función de la desviación típica, por lo cual se necesita efectuar un mínimo de mediciones para que tenga un nivel de confianza. 

                           

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Sensibilidad

Una de las cualidades que tienen los instrumentos de medida es la sensibilidad.
Un instrumento de medida es tanto más sensible cuanto más pequeña sea la cantidad que puede medir.
La sensibilidad con que se fabrican los aparatos   de medida depende de los fines a los que se destina. No tiene sentido fabricar una balanza que aprecie mg para que la use un panadero.
La sensibilidad de un aparato de medida nos indica cuántas de las cifras de una medida son significativas. Averigua cuántas cifras pueden conocerse como resultado de una medida con la siguiente escena.

Repetibilidad 

Podría ver la repetibilidad, también llamada reproducibilidad, siendo elogiado como uno de los beneficios de una escala. ¿Aspecto importante o hablar de marketing? Vemos a lo que significa la repetibilidad y por qué es tan importante para muchas aplicaciones.

La repetibilidad en escalas y balances se define como: “La capacidad de mostrar el mismo valor cuando un peso se coloca en una escala más de una vez. A menudo se expresa como una desviación estándar de 5 a 10 pruebas ”. Entonces, si pones un peso de 50 g en una balanza 10 veces, la báscula debería mostrar que pesa 50 g cada vez. Puede ver por qué una repetibilidad.

Histéresis

Se produce el fenómeno de la histéresis, cuando el sistema puede existir en varios estados estables para valores dados de las variables externas (o parámetros de control), y que éstos se pueden alcanzar por una variación lenta de los parámetros. Un ejemplo típico es la magnetización de un material ferromagnético por un campo magnético externo. en otras palabras podemos decir que Se produce el fenómeno de la histéresis, cuando el sistema puede existir en varios estados estables para valores dados de las variables externas (o parámetros de control), y que éstos se pueden alcanzar por una variación lenta de los parámetros. Un ejemplo típico es la magnetización de un material ferromagnético por un campo magnético externo.

Es la variación en la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo determinado mientras se mantiene constante la variable medida y todas las condiciones ambientales.

Resolución 

Es la mínima variación de la magnitud medida que da lugar a una variación perceptible de la indicación del correspondiente valor 

este nos indica el valor mínimo a partir del cual notaremos una variación o salto en la medida de aquello que estamos midiendo 

Deriva 

Es una variacion de la salido del medidor con el tiempo a pesar de que la variable que medimos es constante.

se da cuando medimos algo por periodos muy largos  

Trazabilidad 

La trazabilidad es la capacidad de rastrear todos los procesos, desde la adquisición de materias primas hasta la producción, consumo y eliminación, para poder aclarar "cuándo y dónde fue producido qué y por quién". Debido a la mejora de la calidad de los productos y al aumento de la conciencia sobre la seguridad en los últimos años, la trazabilidad ha ido aumentando en importancia y se ha extendido a una amplia gama de campos, como la industria automotriz, electrónica, alimenticia y farmacéutica. Esta sección describe los conocimientos básicos sobre la cada vez más popular trazabilidad.

Ruido

Un sonido se genera por una superficie en movimiento que se transmite a través del aire, disminuyendo su intensidad con la distancia y el entorno físico.

Un ruido es todo sonido que puede producir una pérdida de audición, ser nocivo para la salud o interferir en una actividad en un momento dado.

Linealidad

Amplificador 

Calibración

Sistema de control 

Es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados

Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos:

 1. Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos. 

2. Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales. 

3. Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

Lazo cerrado 

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida; es decir, en los sistemas de control de lazo cerrado o sistemas de control con realimentación, la salida que se desea controlar se realimenta para compararla con la entrada (valor deseado) y así generar un error que recibe el controlador para decidir la acción a tomar sobre el proceso, con el fin de disminuir dicho error y por tanto, llevar la salida del sistema al valor deseado.

Lazo abierto 

Un sistema de control de lazo abierto se caracteriza por que no recibe ninguna información o retroalimentación sobre el estado de la variable, por lo regular estos se utilizan cuando la variable es predecible y tiene un amplio margen de error, ya que se puede calcular el tiempo o las veces que se debe de repetir el ciclo para completar el proceso.