caracteristicas de los instrumentos de medicion
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Es el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos entre los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento, se expresa estableciendo los dos valores extremos.
Campo de medida (Rango, Range)
Otro térmico usado es la dinámica de medida o rangeabilidad (rangeability), que es el cociente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento.
Por ejemplo para un termómetro con rango de 100 °C a 400 °C, la rangeabilidad es 400/100 = 4.
Alcance (Span) Es la diferencia entre los valores superior e
inferior del campo de medida del instrumento.
Span: (100 – 0) mbar = 100 mbar
Error Es la diferencia algebraica entre el valor leído o
transmitido por el instrumento y el valor convencionalmente verdadero de la variable medida. Si el proceso está en condiciones de régimen permanente (estado estable) se denomina error estático. En condiciones dinámicas el error puede cambiar (error dinámico).
TIPOS DE ERRORES
ERROR ALEATORIO: se debe a efectos fortuitos no controlados por el operador del instrumento de medición. Las causas principales de errores aleatorios son:
Rozamientos internos
Acción externa combinada
Errores de apreciación de la indicación
Para una medida, Ai, el error aleatorio es:
donde : es la media de todas las mediciones.
Ejemplo: si se mide un patrón de pH = 7,00 y el valor medio de una serie de mediciones es 7,13; el error aleatorio para una medida de 7,08 es:
AiAiEAleatorio
Ai
05,013,708,7 E
ERROR SISTEMATICO: son aquellos que se repiten de manera “sistemática” en las mediciones que se realizan en condiciones de repetibilidad. Pueden ser producidos por:
Errores de ajuste de los instrumentos
Errores de conexión de los instrumentos o errores de método.
Variaciones en las magnitudes de influencia.
Errores del observador.
El error sistemático de una medida es igual a la diferencia de la media de todas las mediciones con respecto al valor real de la variable (Ar).
Para el ejemplo anterior:
ArAiE oSistemátic
13,000,713,7 oSistemáticE
ERRORES DE MEDICION
Se pueden dividir en:
• ERRORES HUMANOS
• ERRORES DEL SISTEMA:
• Errores del instrumento
• Errores ambientales
• ERRORES ALEATORIOS
ERRORES HUMANOS
EJEMPLOS:
Equivocación en la lectura
Cálculos erróneos
Selección inadecuada del instrumento.
Ajuste incorrecto u olvido de ajuste de cero
No tener en cuenta los efectos de carga
No es posible estimar sus valores matemáticamente
Métodos de eliminación o reducción
Atención cuidadosa a los detalles cuando se efectúan mediciones y cálculos.
Conciencia de las limitaciones del instrumento.
Emplear dos o más observadores para tomar datos críticos.
Tomar al menos tres lecturas para reducir la ocurrencia posible de los errores grandes.
Motivación adecuada acerca de la importancia de los resultados correctos.
ERRORES DEL INSTRUMENTO
EJEMPLOS.
Fricción en cojinetes.
No linealidad de componentes.
Errores de Calibración.
Instrumental defectuoso.
Pérdidas durante la transmisión
Cómo estimarlos:
1.Comparar con un estándar más exacto
2. Determinar si es error constante o es proporcional
Métodos de eliminación o reducción
Calibración cuidadosa de los instrumentos
Revisión del equipo para asegurar una operación adecuada.
Aplicar factores de corrección después de encontrar un error instrumental.
Usar más de un método para medir un parámetro
ERRORES AMBIENTALES
EJEMPLOS:
Cambios en la temperatura
Variaciones de humedad y presión.
Campos eléctricos y magnéticos parásitos
Cómo estimarlos:
1.Vigilancia cuidadosa de cambios en las variables
2. Cálculo de los cambios estimados
Métodos de eliminación o reducción
Sellar herméticamente el equipo y los componentes que se estén probando
Mantener temperatura y humedad constantes mediante el acondicionamiento de aire
Resguardar los componentes y el equipo contra campos magnéticos parásitos (blindaje)
Empleo de equipo que no se afecte mucho por cambios ambientales.
ERRORES ALEATORIOS
EJEMPLOS:
Eventos desconocidos que causan pequeñas variaciones en las mediciones
Resultados inexplicables y demasiado al azar.
Cómo estimarlos:
1. Efectuar muchas mediciones y aplicar el análisis estadístico a las variaciones no explicadas.
Métodos de eliminación o reducción
Diseño cuidadoso del aparato de medición para reducir la interferencia.
Uso de evaluación estadística para calcular la mejor estimación de las lectura de medición.
En una medición de temperatura del fluido de un proceso, el valor medido depende de varios factores:
Tipo de fluido
Velocidad de flujo
Tipo de elemento de primario (termopar, termocupla, bulbo y capilar)
Del medio de protección (vaina).
Incertidumbre de medición (uncertainty)
Es la dispersión de los valores que puede ser atribuida razonablemente al valor verdadero de la magnitud medida.
En el cálculo de la incertidumbre se deben tener en cuenta las desviaciones de series de mediciones, las características del instrumento, de los patrones, de la calibración, etc.
Exactitud Es la característica del instrumento de medición de
obtener medidas próximas al valor verdadero.
Usualmente para una serie de mediciones se toma el valor medio para compararlo con el valor convencionalmente verdadero.
TOLERANCIA
Determina el rango de valores dentro de los cuales se encuentra el valor verdadero de la medida. Define los límites de error que se presentan cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de operación
Existen varias maneras de expresar la tolerancia:
1. Unidades de la magnitud medida: por ejemplo ± 0,1 mL.
2. Porcentaje del alcance: para el manómetro de la figura, si la lectura es de 45 bar y la tolerancia del instrumento es ± 0,2 % del span:
Precisión = 0,002 x 60 bar
= 0,12 bar
El valor real de la lectura es 45 bar ± 0,12 bar
3. Porcentaje de la lectura: si el fabricante reporta una tolerancia de 0,5 % de la lectura, para el caso anterior sería de ± 0,225 bar.
4. Porcentaje del valor máximo de medida: ejemplo: tolerancia de ±0,5 % de 60 bar, es decir ± 0,3 bar.
5. Porcentaje de la longitud de la escala: si la longitud de la escala es de 150 mm, una tolerancia de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm.
ZONA MUERTA Es el campo de valores de la variable que no hace variar la
indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce respuesta. Se expresa como porcentaje del alcance.
SENSIBILIDAD
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona. Por ejemplo si en un transmisor electrónico de 0 – 10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 mA a 12,3 mA, la sensibilidad es:
5,010/)55,5(
)420/()9,113,12(
s
HISTERESIS Es la diferencia máxima que se observa en los valores
indicados por el índice para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa como porcentaje de la escala de medida
Ejemplo: en un termómetro de 0 – 100 °C, para el valor de la magnitud de 40 °C, si marca 39,9 °C al subir la temperatura desde 0 e indica 40,1 °C al bajar desde 100 °C, el valor de la histéresis es de :
%2,01000100
9,391,40
xH
TERMINOS ADICIONALES
Campo de medida con elevación de cero: es aquel en el que el valor de cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 °C a 30 °C.
Campo de medida con supresión de cero: en el que el valor de cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, 10 psi a 100 psi.
Elevación de cero: es la cantidad con que el valor de cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse como un valor de la variable medida o en porcentaje del alcance.
Supresión de cero: es la cantidad con que el valor inferior de campo supera el valor de cero de la variable. Puede expresarse como un valor de la variable medida o en porcentaje del alcance.
Ruido: cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de datos-
Deriva: es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones (magnitudes de influencia).
Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor de cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en la señal de salida debida a efectos únicos de la temperatura).
INSTRUMENTOS ANÁLOGOS
Son aquellos en los que la indicación de la medida
se muestra mediante el desplazamiento de una aguja sobre una escala graduada.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: el mecanismo sensor más común que se emplea en los amperímetros y voltímetros de corriente continua, fue desarrollado por D’Arsonval en 1881.
En el mecanismo de D’Arsonval una bobina o
alambre se fija a un eje que gira en dos
cojinetes de joya, en un espacio entre un
núcleo cilíndrico de hierro suave y dos piezas
polares magnéticas. Las piezas polares crean
el campo magnético y el núcleo de hierro
restringe el campo al espacio de aire entre él
y sus piezas polares.
FIGURA 1. Fuerza sobre un conductor que lleva una corriente en un campo magnético externo.
F = i L X B
El movimiento del dispositivo indicador detecta la Corriente empleando la fuerza que surge de la interacción de un campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La fuerza se emplea para generar un desplazamiento mecánico, que se mide en una escala calibrada.
F = i L X B
Siendo F la fuerza en newton en el conductor, i es la corriente en ampere, L la longitud del conductor en metros y B la densidad del campo magnético en weber por metro cuadrado.
Al aplicar una corriente a la bobina
suspendida, la fuerza resultante hará que
gire. A este giro se oponen dos resortes. Las
fuerza de los resortes se calibran de modo
que una corriente conocida origine una
rotación de ángulo definido. El puntero del
instrumento muestra la cantidad de rotación
de ángulo conocido. Ver FIGURA 2.
INSTRUMENTOS DIGITALES Estos instrumentos indican la cantidad que esta
siendo medida en una pantalla digital. Algunas ventajas de los instrumentos digitales son:
Generalmente la exactitud es mayor que en los análogos.
La lectura es un número definido. Esto permite la eliminación del error de paralaje.
Son fácilmente acoplables a computadoras o registradoras.
FUNCIONAMIENTO
El instrumento digital recibe la señal
análoga que está siendo medida, ésta es
sometida a amplificación y posteriormente
es digitalizada mediante un circuito
analógico-digital (A/D), la señal digital se
muestra en una pantalla. En la FIGURA 3
se muestra el diagrama de bloques de un
instrumento digital básico.
RESOLUCIÓN La resolución de un instrumento digital es el
mínimo cambio que puede ser observado en
la lectura del instrumento. Está relacionada
con el número de dígitos de la pantalla y el
rango.
A manera de ejemplo se presenta distintas
resoluciones para un instrumento de 3 ½
dígitos.
Los instrumentos digitales funcionan con conversores AD, los cuales tienen un comportamiento lineal apreciable en la manera como se ven los datos.
Debido a esto se hacen pruebas de calibración de cero, medio rango y punto próximo a fondo de rango como mínimo, por ejemplo si el rango es de 19,99 V (20 V), las lecturas deben ser de 0V, 10 V y 19 V.
LINEALIDAD
De acuerdo con lo anterior, tomando los tres puntos descritos y sabiendo que estos errores están dentro o fuera de tolerancia, podemos saber si el rango completo cumple con las especificaciones. A continuación se muestra en la Figura 4 la respuesta de lectura de un instrumento digital.
Figura 3. Linealidad de un instrumento digital