Instrumentos de medición

Características de los instrumentos de medición

Los instrumentos de medición hacen posible observar las magnitudes físicas, ahora bien, estos instrumentos no son sistemas ideales, sino reales, por lo tanto tienen una serie de limitaciones y características que tenemos que tomar en cuenta para poder juzgar si afectan de alguna manera las medidas que estamos tomando. Estas características se agrupan en dos grupos, características de tipo estático y características de tipo dinámico.

Características estáticas

Describen el comportamiento de un sistema de medida cuando la magnitud a medir varia tan lentamente o permanece constante.

Curva de calibración: Relación entre la entrada al sistema de medida y su correspondiente salida, permite obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y de la entrada en función de la salida. Para definir esta curva se necesita mínimo indicar su forma y sus limites los cuales se especifican con los siguientes parámetros:

• Rango/Campo de medida/Margen de medida: Conjunto de valores comprendidos entre los limites superior e inferior entre los cuales se puede efectuar la medida. Tomando como referencia la imagen anterior seria 0/225.
• Alcance/Lapso/Fondo de estala: Diferencia entre los limites superior e inferior de medida. Tomando como referencia la imagen anterior seria 225.
• Salida a fondo de estala: Diferencia entre las salidas para los extremos del campo de medida. En el caso de la imagen anterior seria 3,5.
• Sensibilidad: Pendiente de la curva de calibración, si es constante se dice que el sistema es lineal.

• No linealidad/Error de linealidad: Máxima desviación de la curva de calibración con respecto a la linea recta por la que se ha aproximado, normalmente se expresa en porcentaje(%) con respecto al alcance. Podemos observarla en la imagen anterior ente 50 y 175.
• Zona muerta: Región de la curva de calibración que presenta una sensibilidad nula, es decir no hace variar la indicación. La vemos en la imagen anterior entre 0 y 50.
• Saturación: Nivel de entrada a partir de la cual la sensibilidad disminuye de forma significativa, incluso volviéndose nula. Vemos como le ocurre a la linea roja de 175 en adelante.
• Histeresis: Es la diferencia en la medida dependiendo del sentido en el que se ha alcanzado (creciente o decreciente).

• Deriva: Es la variación de algún aspecto de la curva de calibración con respecto a algún parámetro ambiental, siempre que el parámetro no sea el objeto de la medida.
• Resolución: Incremento mínimo en la variable de entrada que ofrece un cambio en la salida. Esta se ve mucho en sistemas digitales, como en la siguiente imagen que se compara, un ADC de 12 bits (izquierda) contra uno de 6 bits (derecha) que muestrean la misma señal; a mayor numero de bits, mayor resolución.     

Características dinámicas

Describen el comportamiento de un sistema de medida cuando la magnitud a medir varia, de tal forma que no se considera constante. Estos son diferentes a los vistos anteriormente, debido a la presencia de inercias (masas, inductancias), capacidades (eléctricas, térmicas) y en general elementos que almacenan energía.

Función de transferencia: El comportamiento dinámico de un sensor viene descrito por su función de transferencia, esta describe la relación existente entre la entrada y la salida del sensor, es decir, con determinada entrada, que salida se generará. La respuesta dinámica de un sensor no depende solo de el sino de la forma en que esta siendo utilizado. Por lo general se usa la entrada escalón para observar la respuesta dinámica del sistema.

 

Podemos mirar como ante una entrada escalón, la salida varia, siendo la linea roja el caso ideal, y las demas lineas posibles casos reales.

Como lo vemos en la anterior imagen, los sistemas pueden tener muchos tipos de respuestas al escalón, eso depende del orden del numerador y el denominador de su respectiva función transferencia. Esto esta relacionado también con el orden del sistema.

Sistemas de orden cero: Este sistema es el mas simple, pues en su ecuación diferencial, no hay derivadas, por lo tanto su respuesta temporal y frecuencia no experimenta cambios ( y(t) = kx(t) ). En donde k es la sensibilidad del sistema.

Sistemas de orden uno: Su ecuación diferencial es de primer orden, contiene un elemento que almacena energía y otro que la disipa. El parámetro dinámico que le representa es su constante de tiempo, aunque también se pueden definir otros parámetros como son el tiempo de subida (tr - rise time) y el tiempo de establecimiento (ts - setting time).

• Tiempo de subida: Tiempo en el cual el sistema alcanza el 10% y el 90% del valor final.
• Tiempo de establecimiento: Tiempo hasta que el sistema alcanza una salida dentro de un margen de tolerancia definido por su precisión.

Sistemas de orden dos: Su ecuacion diferencial es de orden dos, tiene doselementos de almacenamiento de energia y otros que la disipan, su respuesta puede estar en uno de 3 casos bien definidos los cuales son:

• Sistemas sobre-amortiguados: Sistemas lentos (linea roja).
• Sistemas sub-amortiguados: Sistemas rapidos con oscilaciones (linea negra).
• Sistemas críticamente-amortiguados: Mas rapidos que los sobre-amortiguados (linea amarilla).