8.- Partes de un sistema de medición

Elaborado por: Miguel Torres, José Arteaga.

En la Fig. 1 se muestra el esquema generalizado de un sistema de medida en forma de bloques funcionales. A la izquierda de la cadena de medida se encuentra el sistema físico, que representa a las magnitudes físicas que se quiere medir, como por ejemplo, temperatura, presión, nivel, flujo, entre otros. En el extremo opuesto se encuentra el sistema que permite tomar nota o almacenar la medida resultante, es decir el sistema de presentación o toma de datos, como por ejemplo, pantallas indicadoras o dispositivos de adquisición de datos. En los sistemas modernos, la presentación y/o toma de datos se hace de forma electrónica, por lo que la variable física a medir debe transformarse previamente en una señal eléctrica. Aunque en ciertos sistemas la señal eléctrica en cuestión es una intensidad de corriente, supondremos aquí que en general se trata de una tensión eléctrica.

Fig. 1. Esquema generalizado de un sistema de medida

La conversión de la magnitud física de interés en una señal eléctrica del nivel adecuado para la presentación y/o toma de datos se realiza en dos etapas. En la primera etapa dicha magnitud física se convierte, mediante un transductor en otra magnitud de tipo eléctrico (por ejemplo una resistencia eléctrica). En la segunda etapa, un acondicionador de señal incluye la circuitería necesaria para convertir la magnitud característica del transductor en una señal eléctrica de nivel adecuado.

Es de notar que en algunos sistemas las tres etapas del sistema de medida están totalmente integradas, de forma que un único aparato realiza las tres funciones de una manera transparente al usuario. Este es el caso, por ejemplo de un termómetro clínico electrónico, en el cual el transductor, el acondicionador de señal y el indicador digital están integrados en un elemento del tamaño de un bolígrafo. En otras ocasiones, particularmente en el caso de instrumentación de laboratorio, las etapas están físicamente diferenciadas, y se dispone de un transductor que se conecta (enchufa) a la entrada de un acondicionador de señal a cuya salida se conecta un aparato para presentar o tomar los datos. La disposición modular complica la utilización, pero a su vez la hace más versátil ya que permite combinar transductores, acondicionadores y lectores en formas adecuadas a diversos objetivos.

Transductores

Como ya se ha indicado un transductor podría definirse en general como un dispositivo que convierte una magnitud física en otra más conveniente para los propósitos de la medida. Aunque la conversión puede ser a magnitudes de tipo mecánico (por ejemplo desplazamiento o presión hidráulica o neumática), en la mayoría de las aplicaciones se utilizan transductores de tipo eléctrico ya que ello permite un mejor tratamiento de la información.

Tabla 1. Tipos de transductores eléctricos

La Tabla 1 resume los tipos más corrientes de transductores eléctricos. Existen dos grandes grupos: el de los transductores pasivos, que necesitan alimentación externa para efectuar la medida, y los activos, que generan por sí mismos una fuerza electromotriz y no necesitan alimentación externa.

Acondicionadores de señal

En muchas ocasiones la salida suministrada por el transductor es inadecuada para atacar los sistemas de presentación y toma de datos y debe ser modificada de alguna manera, o incluso generada en el caso de los transductores pasivos.

En la Figura 2 se ha esquematizado el diagrama de bloques funcionales de un acondicionador de señal. El acondicionador puede tener una alimentación que aplica una tensión al transductor que será operativa siempre que se trate de un transductor pasivo. La tensión de salida del transductor puede sufrir un pre-acondicionamiento (por ejemplo un filtrado para eliminar ruidos). Si la señal es de bajo nivel (de unas décimas de voltio), será necesario amplificar la señal.

 La señal amplificada se puede someter a continuación a un post-acondicionamiento que puede consistir, por ejemplo, en una linealización (para conseguir una salida cuyas variaciones sean proporcionales a las variaciones de la magnitud física a medir) y en un aislamiento (para conseguir que la señal de salida sea independiente de los instrumentos de lectura que de ella se alimentan).

En ciertos casos, el post-acondicionamiento puede incluir la conversión de la señal analógica en una señal digital (conversión analógica digital; ADC en siglas inglesas de analog to digital converter).

Fig. 2. Diagrama de bloques funcionales de un acondicionador de señal

Presentación y toma de datos.

La última etapa en la cadena de medida es la presentación y/o toma de datos. La figura 3 muestra el diagrama de los elementos que forman la etapa de presentación y toma de datos.

Hay dos tipos fundamentales de transmisión de señal: analógico y digital. En el tipo analógico la señal es una diferencia de potencial entre el conductor de señal y el de referencia (tierra analógica).

En el tipo digital la señal analógica se convierte en un valor digital mediante un ADC (conversor analógico digital) y a continuación se transmite siguiendo alguno de los protocolos de comunicación existentes.

En segundo lugar, los dispositivos de presentación y toma de datos pueden clasificarse también en los tipos analógico y digital. En este caso la denominación “analógico” hace referencia a que se establece una analogía entre la variable a medir y el desplazamiento de un indicador movil. Es el caso de un indicador de aguja en el que la aguja se desplaza sobre un limbo graduado en las unidades adecuadas. También es el caso del registrador en el que una plumilla se desplaza proporcionalmente a la señal en una dirección y proporcionalmente a otra señal (o al tiempo) en la dirección perpendicular.

Hoy en día resultan más económicos y más efectivos los sistemas digitales. El indicador digital es el dispositivo más sencillo. En él se hace una primera conversión analógica-digital y a continuación se presenta el valor correspondiente en formato decimal.

Cuando se trata de almacenar datos, la salida digital del ADC se introduce en un ordenador que lee el dato y lo almacena en la forma que requiera el usuario. Hoy en día existe una gran variedad de software de toma de datos que permite no solo el almacenamiento y tratamiento de los datos, sino también la presentación en pantalla en cualquier formato, incluyendo aparatos analógicos simulados.

Si la transmisión desde el acondicionador se realiza en forma digital, la señal puede dirigirse a un ordenador que, con el software adecuado, podrá efectuar la presentación y toma de datos.

Fig. 3. Diagrama de bloques funcionales de presentación y toma de datos.

En la siguiente tabla se hace referencia a la relación que existe entre algunos transductores y sus respectivos circuitos de acondicionamiento de una manera simplificada.

Tabla 2. Transductores vs Circuitos de acondicionamiento.

Para continuar y ampliar de forma extensiva lo estudiado en esta etapa se puede dirigir a los siguientes enlaces:

Tema 9: en el cual se habla más a detalle sobre el dimensionamiento de las fases que componen un sistema de medición. 

Tema 10: en el cual se muestra la simulación de un sistema de medición

Tema 11: en el cual se siguen los pasos para el diseño e implementación de un sistema de medición.

PREGUNTAS FRECUENTES

·         ¿Qué es un elemento sensor primario?

Es el primero en recibir energía  proveniente del medio medido y produce una salida que depende de la cantidad evaluada (mesurando).

·         ¿Que son las magnitudes físicas?

Son aquellas propiedades que pueden medirse y expresar su resultado mediante un número y una unidad. Son magnitudes la longitud, la masa, el volumen, la temperatura, la presión, el nivel, el flujo, el voltaje, etc.

·         ¿Por qué usar transductores eléctricos? 
Porque que permiten un mejor tratamiento de la información a mostrar.

·         ¿Por qué es necesario acondicionar la señal del sensor?

Porque en algunas ocasiones la salida suministrada por el sensor es inadecuada para ser manipulada por el sistema de presentación y/o toma de datos.

·         ¿Cuál es la diferencia entre los dispositivos de presentación de datos analógicos y digitales?

La diferencia es que en los analógicos se hace referencia a una analogía entre la variable que se mide y el desplazamiento de un indicador móvil, en cambio en los digitales se realiza una conversión del valor medido a uno digital mediante un ADC y se presenta dicho valor en un formato decimal.



CUESTIONARIO


AUTOEVALUACIÓN

BIBLIOGRAFÍA

·         Daly, J.W., Riley, W. F., and McConnell, K. G. (1984) Instrumentation for Engineering Measurements. John.

·         Wiley & Sons, Inc., New York. Fraile, J. y García, P. (1995) Instrumentación aplicada a la ingeniería. Servicio de publicaciones de la ETS de I. de Caminos, Canales y Puertos.

·         Johnson, C. D. (1997) Process Control Instrumentation Technology. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey.

·         Morris, A. S. (1993) Principles of Measurement and Instrumentation. Prentice Hall, New York.

·         Nachtigal, C. L Ed. (1990) Instrumentation and Control; Fundamentals and Applications. ohnWiley & Sons, Inc., New York.