Campo de medida (Rango, Range) 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.
Para el manómetro de la figura el rango es: (0 60) bar ó 0 bar - 60 bar
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: E Aleatorio Ai Ai donde : Ai 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: E 7,08 7,13 0,05
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). E Sistemático Ai Ar Para el ejemplo anterior: E Sistemático 7,13 7,00 0,13
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: s (12,3 11,9) /(20 (5,5 5) /10 4) 0,5
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 : 40,1 39,9 H x100 100 0 0,2%
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).
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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.
FIGURA 2. Movimiento de D Arsonval
FIGURA 3. Movimiento de Sistema Electrodinámico
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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.
Figura 3. Funcionamiento de un instrumento digital
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.
Rango Resolución (instrumento de 3½ digitos) 100 mv 1 V 10 V
LINEALIDAD 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.
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
Figura 2. Linealidad de un instrumento digital