INSTRUMENTOS DE MEDICIN

LABORATORIO DE LOGICA DIGITAL CAPITULO I

CAPITULO I1.-INSTRUMENTOS DE MEDICIN.

1.- Aspectos Generales sobre la Medicin.Una medicin es un conjunto de operaciones que tiene por finalidad determinar un valor de una magnitud.La magnitud particular sometida a medicin se denomina mensurando o magnitud medida. Por ejemplo, la presin de vapor de una muestra dada de agua a 20 C.Adems de la magnitud que es propiamente objeto de la medicin, existen las llamadas magnitudes de influencia que son las restantes magnitudes que tienen un efecto sobre el resultado de la medicin, Por ejemplo, la temperatura en la medicin de la longitud de una pieza.La base de cualquier proceso de medicin descansa sobre el principio de medicin que es el fundamento cientfico de la medicin.Una vez determinada la magnitud a medir, es necesario seleccionar los instrumentos de medicin y medios auxiliares adecuados y definir la forma en que estos se utilizarn de acuerdo al principio de medicin, o sea, hay que definir el mtodo de medicin que se utilizar.Segn el VIM:"Mtodo de medicin" es la sucesin lgica de operaciones descritas de una forma genrica, utilizados en la ejecucin de las mediciones".De acuerdo con el mtodo de medicin utilizado, las mediciones se clasifican en: Directas. Indirectas.Las mediciones directas son aquellas en las que el valor del mensurando es obtenido directamente, y no a partir de clculos basados en la dependencia funcional del mensurando con otras magnitudes medidas.No obstante en las mediciones directas es posible que sea necesario medir magnitudes de influencia y hacer algunos clculos con vista a introducir las correcciones necesarias. Ejemplo1.

- Medicin de la masa en una balanza de cuadrante o de brazos iguales.

- Medicin de temperatura con un termmetro.

- Medicin de una longitud con una regla graduada.

- Medicin de la intensidad de la corriente elctrica en un circuito con un ampermetro.

En las mediciones indirectas el valor del mensurando se encuentra mediante la medicin de otras cantidades de magnitudes relacionadas a travs de cierta dependencia funcional con

l mensurando. Ejemplo 2.- Medicin de la presin mediante la medicin de la altura de una columna de lquido.- Medicin de la densidad de un cuerpo basndose en las mediciones directas de su masay dimensiones geomtricas.- Medicin de la temperatura a partir de la medicin de la fuerza electromotriz generada en una termocupla.Existe en la prctica una gran diversidad de mtodos de medicin, algunos de uso un tanto particular dentro de ciertos campos de la actividad metrolgica.2. Clasificacin de los Instrumentos de Medicin.Se denomina instrumento o aparato de medida a todo dispositivo destinado a realizar una medicin, slo o en unin de otros dispositivos suplementarios.El trmino as definido segn el VIM sirve de denominacin comn y comprende medidas materializadas, instrumentos medidores y transductores de medicin, los cuales pueden agruparse en Sistemas de Medicin e Instalaciones de Medicin. Las medidas materializadas pueden ser simples o mltiples:Simples son aquellas que reproducen un solo valor de la magnitud fsica dada. Si esta magnitud es aditiva estas medidas pueden agruparse en juegos. Ejemplo: Bloques patrones de longitud. Pesas. Material de referencia.Mltiples son las que reproducen una serie de valores de una magnitud fsica en un cierto intervalo. Los valores reproducidos pueden ser continuos como en el caso de las reglas y las pipetas graduadas, o pueden ser un conjunto de valores discretos, por ejemplo las cajas de resistencias.Los instrumentos o aparatos de medicin propiamente dichos que transforman la magnitud de una magnitud fsica que se mide en forma accesible para ser recibida directamente por el observador pueden ser.

los transductores de medicin son los dispositivos que suministran una magnitud de salida teniendo una determinada relacin con la magnitud de entrada. Ejemplos: Termopar. Transformador de corriente. Celdas de carga. Electrodo de pH. Termistor.Los transductores se pueden clasificar segn su aplicacin, mtodo de conversin de energa, naturaleza de seal de salida, etc., por lo general, todas estas clasificaciones terminan en reas que se superponen.En algunos casos, por razones prcticas, la seal de salida del transductor debe ser modificada antes de ser procesada por el dispositivo de indicacin, para estos fines puede ser empleado el trasmisor de medicin. Transmisor de medicin: Capta la variable de salida del transductor la convierte en una seal de transmisin estndar.Existen los denominados transmisores inteligentes, los cuales tienen incorporados funciones adicionales tales como compensacin de no linealidades del transductor, compensacin de temperatura ambiente, etc.Otro trmino relacionado con los instrumentos de medicin son los censores de medicin.Segn el VIM por sensor se entiende el elemento de un instrumento de medicin que est directamente afectado por la magnitud a medir. Por ejemplo: Junta de medicin de un termmetro termoelctrico. Tubo Bourdon de un manmetro. Alambre de platino en un termmetro de resistencia Pt-100.En la prctica se utilizan tambin los detectores, los mismos son dispositivos o sustancias que indican la presencia de un fenmeno, sin que necesariamente suministre un valor de una magnitud asociada.Un conjunto completo de instrumentos de medicin y otros equipos ensamblados para llevar a cabo mediciones especficas se denomina sistema de medicin. Los sistemas de medicin son ampliamente utilizados en la elaboracin automatizada de los resultados de las mediciones y en los sistemas automatizados del control de procesos.

De acuerdo a su destino metrolgico, los instrumentos de medicin se clasifican en: Patrones. Trabajo.Los instrumentos de medicin patrones son aquellos que se utilizan en los procesos de verificacin o calibracin de otros instrumentos de medida. Por el contrario, los instrumentos de medicin de trabajo son los destinados a todas las restantes mediciones que no tienen el propsito de transmitir la unidad de medida.3. Caractersticas Metrolgicas de los Instrumentos de Medicin.Independientemente de sus construcciones, principios de funcionamiento y magnitudes que miden, a los instrumentos de medicin les son comunes una serie de caractersticas metrolgicas, entre ellas:Rango de indicacin: Conjunto de los valores limitados por las indicaciones extremas del instrumento de medicin. El rango es normalmente expresado en trminos de sus lmites inferior y superior.Ejemplo: Para un termmetro de 100 a 200 C.Valor nominal: Valor redondeado o aproximado de una caracterstica de un instrumento de medicin que sirve de gua para su utilizacin.En el caso de las medidas materializadas este valor caracteriza la magnitud por ella reproducida.Ejemplo:- 10 g para una pesa.- 100 Q para un resistor patrn.- 20 mL para una pipeta de un trazo.- 25 C para el punto de control de un bao termosttico.Intervalo de Medicin: Mdulo de la diferencia entre los lmites de un rango nominal.Ejemplo: para un rango nominal de -5 a 30 psi de un manmetro, el intervalo correspondiente es 35 psi.Para un voltmetro con rango de O a 10 V, el intervalo de medicin ser 10 V.Valor de Medicin: Diferencia entre los valores correspondientes a dos marcas sucesivas de la escala.Ejemplo: 0,5 C para un termmetro cuya menor divisin tiene ese valor.Resolucin: Menor diferencia entre indicaciones de un dispositivo de indicacin que puede ser distinguida de forma significativa.

Para un instrumento de indicacin digital, es el cambio en la indicacin cuando el dgito menos significativo se incrementa en un paso.

Condiciones Nominales de Funcionamiento: Condiciones de utilizacin para las cuales las caractersticas metrolgicas especficas de un instrumento de medicin se suponen que estn comprendidas entre lmites dados.Las condiciones nominales de funcionamiento especifican generalmente valores nominales asignados para el mesurando y para las magnitudes de influencia.Condiciones Lmites: Condiciones extremas que un instrumento de medicin debe poder soportar sin dao y sin degradacin de sus caractersticas metrolgicas especficas cuando con posterioridad es utilizado en sus condiciones nominales de funcionamiento.Las condiciones lmites pueden comprender valores lmites para el mesurando y para las magnitudes de influencia y las mismas pueden corresponder a almacenamiento, transportacin y operacin.Ejemplo: Un indicador - controlador de temperatura que utiliza como transductor primario una termocupla de tipo J refiere en el manual del fabricante:- Temperatura de operacin: O a 55 C. - Temperatura de almacenamiento: -20 a 70 C.4. Errores de los Instrumentos de Medicin.Como consecuencia de la influencia de un gran nmero de factores casuales y determinantes que surgen en el proceso de fabricacin, conservacin y explotacin de los instrumentos de medicin, los valores de las medidas materializadas y las indicaciones de los instrumentos inevitablemente se diferencian de los valores reales de las magnitudes reproducidas o medidas por los mismos. Estas desviaciones son las que caracterizan los errores de los instrumentos de medicin.La cualidad de un instrumento de dar indicaciones prximas al valor verdadero del mensurando de los instrumentos de medicin tienen dos y que, por tanto, refleja la cercana a cero de sus errores, se denomina exactitud del mismo.Los errores componentes:a) Un error sistemtico.

b) Un error aleatorio.A continuacin se analiza con profundidad la naturaleza de los mismos.Los errores sistemticos son en general funcin de la magnitud medida y se deben tanto a

errores determinados por la estructura del diseo del instrumento como a errores de fabricacin de los mismos.Si se designa por Y la indicacin del instrumento y por X el valor de la magnitud medida, se tiene que para un instrumento de medicin existe una cierta dependencia funcional entre ambos:Y = f(X)(Ecuacin 2.1)En un rgimen estable de funcionamiento (magnitud medida constante) esta relacin se denomina caracterstica esttica del instrumento de medicin o caracterstica de respuesta del mismo.Para la mayora de los instrumentos se prefiere una caracterstica esttica lineal. Las caractersticas no lineales, por ejemplo, la logartmica o la cuadrtica, se admiten slo en aquellos casos cuando son motivadas por el principio de medicin y la no linealidad no puede ser eliminada por completo. (Vase la Figura 2.1).f 1(X): Caracterstica Lineal.

F2 (X): Caracterstica no Lineal.

Figura 2.1. -Caracterstica de Respuesta de un Instrumento de medicin.El cociente del incremento observado en la indicacin del instrumento y el correspondiente incremento del mensurando se denomina sensibilidad del instrumento de medicin.En el caso de una caracterstica lineal, ste se determina como la pendiente de la recta y tiene un valor nico para los diferentes valores del mensurando.S: Y /X(Ecuacin 2.2)Si la caracterstica esttica es no lineal, la sensibilidad vara con el valor de la magnitud a medir y se determinar en cada punto de la escala a partir del lmite al que tiende la relacin anterior para un incremento muy pequeo del mensurado.(Ecuacin 2.3)

En la Figura 2.2 se representa la posicin mutua de la caracterstica real e ideal de un instrumento de medicin, considerando solo los errores debido al esquema de diseo del instrumento. Fo (X) : Caracterstica Esttica Ideal. F1(X): Caracterstica Esttica Real.

Figura 2.2.- Caracterstica Esttica de un Instrumento de medicin. Instrumento de medicin.Las imperfecciones tecnolgicas de fabricacin del instrumento as como los errores surgen durante la explotacin del mismo, deforman en un alto grado esta representacin y dan lugar a:1. El desplazamiento de la caracterstica esttica real con relacin a la ideal y a la aparicin de un error constante en cada punto de la escala (Figura 2.3). Si la escala incluyen el valor cero, este error se denomina error de cero.Figura 2.3.- Error de Cero.

2. El giro de la caracterstica esttica y la aparicin de un error linealmente creciente con el aumento de la magnitud medida, el cual generalmente se denomina error multiplicativo. (Figura 2.4).

Figura 2.4.- Error Multiplicativo.

3. Aparicin de un error de histresis, el cual se manifiesta en la no coincidencia dela caracterstica esttica del instrumento cuando aumenta y disminuye la magnitudmedida (Figura 2.5).4. Deformaciones no lineales de las caractersticas estticas que da lugar al error delinealidad (figura 2.6).Figura 2.5.- Error de Histresis. La cualidad de un instrumento que caracteriza la cercana a cero de su error sistemtico se denomina justeza.El error sistemtico total que tiene un instrumento de medicin se estiman durante el proceso de calibracin del mismo y se refleja en el Certificado de Calibracin.Puesto que estos errores en general cambian con el tiempo debido al desgaste y al envejecimiento de los elementos del instrumento, es necesario repetir este proceso de calibracin cada cierto tiempo para actualizar el valor del estimado de los errores del instrumento. Figura 2.6.- Error de Linealidad.

Se denomina correccin al valor que debe sumarse algebraicamente al resultado sin corregir de una medicin para compensar el error sistemtico y es numricamente igual a este error pero de signo contrario.Los errores aleatorios de los instrumentos de medicin deben su aparicin a variaciones aleatorias (casuales, fortuitas) de los parmetros de sus elementos bajo condiciones estables de funcionamiento.Esta componente del error del instrumento se denomina error de repetibilidad y es, en general, funcin del valor de la magnitud medida.Error mximo permisible de un instrumento de medicin es el valor extremo del error permitido por especificaciones, reglamentos, etc., para un instrumento de medicin dado. (Vase la Figura 2.7). Figura 2.7.- Error Mximo Permisible.

Los mtodos ms comunes utilizados para expresar el error mximo permisible deun instrumento son los siguientes:1. Mtodo: Si el error mximo de un instrumento (en buen estado) expresado como error absoluto no depende del valor de la magnitud a medir, entonces se fija el limite permisible del error absoluto o reducido, los cuales son consientes en todo el rango de medicin

(error absoluto) (Ecuacin 2.4)

(error relativo) (Ecuacin 2.5)

Xn: Valor especificado para un instrumento de medicin que puede ser el intervalo de medicin, el limite superior del rango de indicacin, etc.

Este mtodo se utiliza ampliamente para la mayora de los instrumentos indicadores de lmites estrechos, tales como manmetros, voltmetros, balanzas semiautomticas, etc.2. Mtodo: Si el error mximo de un instrumento (en buen estado) expresado bajo la forma de error absoluto est en relacin lineal con el valor de la magnitud medida, entonces se fijan los lmites del error absoluto o relativo como una cierta funcin lineal de la magnitud medida. (error absoluto) (Ecuacin 2.6)(error relativo) (Ecuacin 2.7)Donde:a, b, c y d son valores constantes.Xk mxima indicacin del instrumento sin tener en cuenta el signo.X indicacin del instrumento sin tener en cuenta el signo.Como caso particular de este mtodo est aquel en que a = O y entonces: (error absoluto) (Ecuacin 2.8)

(error relativo) (Ecuacin 2.9)Ejemplo de este caso son los contadores de energa elctrica, los distribuidores de carburante, las balanzas de peso muerto, etc.

3. Mtodo: Si la dependencia del error mximo con respecto a las indicaciones del instrumento es ms compleja, entonces, el error mximo permisible se da en forma de tabla para diferentes valores o intervalos de las indicaciones del instrumento, o diferentes rangos de medicin (para el caso de los instrumentos de rangos mltiples).

Ejemplos: Juegos de pesas. Bsculas camioneras.Relacionados con los errores mximos permisibles de los instrumentos de medicin est el concepto de clase de exactitud, el cual se utiliza frecuentemente para caracterizar la exactitud de un instrumento.Se denomina clase de exactitud a una clase de instrumentos de medicin que satisfacen determinadas exigencias metrolgicas destinadas a conservar los errores dentro de los lmites especificados.Una clase de exactitud se indica habitualmente por un nmero o smbolo adoptado por convenio y denominado ndice de clase.Lo fundamental para asignarle a un instrumento de medicin una clase determinada, es la forma de expresar su error mximo permisible. As, en el caso de que se exprese este como error reducido o error relativo constante en todo el rango de medicin, la clase se selecciona a partir de una serie de nmeros preferidos:[1; 1,5; (1,6); 2,0; 2,5; (3,0); 4,0; 5,0; 6,0] * 10nn =l;0;-l;-2;...Se prohbe utilizar simultneamente las clases 1,5 * 10 y 1,6 * 10n.

La clase 3*10n est reservada para una utilizacin excepcional en casos tcnicamente fundamentados.Ejemplo: Manmetro patrn de deformacin elstica de clase 0,5.En el caso de que se exprese el error mximo permisible a travs del error absoluto del instrumento, los ndices de clase se designan por letras maysculas o cifras romanas.

Ejemplo: Juego de pesas de la clase F1.

Bloque patrn de clase 0.Cuando el error mximo permisible se exprese como error relativo dependiendo de la magnitud medida (Frmula 2.7) se fijan las clases identificadas por los nmeros c y d en la forma c/d.Ejemplo: Para una caja de resistencia de clase 0,02 / 1,5.10-4el error mximo permisible expresado como error relativo viene dado por la frmula:

5. Cuestionario.1. Defina los siguientes trminos: Medicin. Mensurando. Instrumentos de medicin. Caracterstica de respuesta de un instrumento. Justeza. Correccin. Error mximo permisible. Exactitud.2.Establezca las diferencias existentes entre: Transductor y transmisor de medicin. Sensores y detectores de variable proceso. Errores sistemticos y aleatorios. Mediciones directas e indirectas.3. Explique cada una de las caractersticas metrolgicas de los instrumentos de medicin.4. Explique cada uno de los distintos tipos de errores que pueden presentarse en el procesode medicin.5. Explique uno de los mtodos ms utilizados para expresar el error mximo permisible delos instrumentos de medicin.6. Se tiene un termmetro digital marca AOIP , cuyo principio de medicin se basa en elmontaje de un puente de Wheastone de tres alambres con un sensor de platino Pt 100 a OC, sus caractersticas tcnicas suministradas por el manual del fabricante son:-Lectura directa en CC a 1/10 C o 1/100 C.-Resistencia de linea: < 3 Q.

-Corriente a travs del punto de prueba: 2,5 mA .Estn a la disposicin en el mercado en 5 tipos diferentes:Rango de MedidaMenor medicinModelo

-100 C a +199,99 C0,01 CA

-100Ca+199,9C0,1 CB

-200 C a + 30 CC

-100Ca + 800CD

-100Ca+800C1CE

Determine para cada uno de los modelos:a) Rango de Indicacin.b) Intervalo de Medicin.c) Condiciones Nominales de Funcionamiento.d) Resolucin.e) Condiciones Lmites de Funcionamiento.

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