Sensores Inteligentes
Algunos sensores vienen combinados con su acondicionamiento de señal todo en el mismo paquete. Sin embargo, tal sensor aún requiere más procesamiento.
Cap 2 Sensores y Transductores
Es posible tener el sensor y el acondicionamiento de señal combinados con un microprocesador en el mismo paquete. A dicho arreglo se le conoce como sensor inteligente. Un sensor inteligente puede tener funciones como la capacidad de compensar errores al azar, para adaptarse a los cambios en el medio ambiente, dar un cálculo automático de exactitud de medición, ajustarse para no linealidades con el fin de ofrecer un salida lineal, auto calibrar y diagnosticar fallas.
Dichos sensores tienen su propio estándar, IEEE 1451, de manera que los sensores inteligentes dependiendo de estos estándares pueden utilizarse en una forma ‘plug-and-play’, manteniendo y comunicando los datos de manera estándar. La información se almacena en la forma de un TEDS (Transductor de Hoja de Datos Electrónicos), por lo general en EEPROM, identifica cada aparato y ofrece datos de calibración.
Terminología del Funcionamiento
Los siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo. 1 Intervalo y Extensión
2. Error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide: Error = Valor Medido – Valor Real. Así, si un sistema de medición marca un valor de temperatura de 25°C, cuando el valor real de la temperatura es 24°C, el error es +1°C. Si la temperatura real fuera 26°C, entonces el error sería -1°C. El sensor puede producir un cambio en la resistencia de 10.2 ohm, cuando el cambio verdadero debió ser de 10.5 ohm. El error es de -0.3 ohm. 3. ExactitudLa exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es, por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor. Por ejemplo, si la exactitud de un instrumento para medir temperatura se especifica como un valor de ;2°C, la lectura en el instrumento estará entre +2 y –2°C del valor real. Es común expresar la exactitud como un porcentaje de la salida a intervalo total, o como una desviación en escala total. El término desviación en escala total se originó cuando las salidas de los sistemas de medición se presentaban casi siempre en una escala circular o lineal. Por ejemplo, la especificación de exactitud de un sensor sería ;5% de la salida en escala total; si el rango del sensor fuera de 0 a 200°C, entonces puede esperarse que la lectura dada esté entre +10 y –10°C de la lectura real. 4.Sensibilidad es la relación que indica cuánta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada. Por ejemplo, un termómetro de resistencia puede tener una sensibilidad de 0.5 Æ/°C. Es frecuente que este término también se utilice para indicar la sensibilidad a otras entradas además de la que se mide, como a cambios ambientales. Entonces, puede haber sensibilidad del transductor a los cambios en la temperatura ambiente, o quizá a las fluctuaciones en el suministro de voltaje de la línea de alimentación. Puede decirse que un transductor para medir tiene sensibilidad de ;0.1% de la lectura por °C de cambio en la temperatura. 5. Error por Histéresis Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma cantidad medida según si el valor se obtuvo mediante un cambio por incremento continuo o por decremento continuo. Este efecto se conoce como Histéresis. La figura 2.1 muestra una salida de este tipo, donde el error por histéresis es la diferencia máxima en la salida obtenida a partir de valores de incremento y de decremento.
6. Error por No Linealidad Para muchos transductores se supone que en su intervalo de funcionamiento la relación entre la entrada y la salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida contra la entrada produce una línea recta. Sin embargo, son pocos los transductores en los que la relación anterior es realmente una línea recta; por ello, al suponer la existencia de esta linealidad se producen errores. Este error se define como la desviación máxima respecto a la línea recta. Para expresar numéricamente el error por no linealidad se utilizan varios métodos. Las diferencias ocurren al determinar la relación de la línea recta respecto a la cual se especifica el error. Un método consiste en dibujar la recta que une los valores de salida en los puntos extremos del intervalo; otro es determinar la recta con el método de mínimos cuadrados, a fin de calcular qué línea se adapta mejor considerando que todos los valores tienen la misma probabilidad de error; otro más es encontrar la línea recta con el método de mínimos cuadrados para determinar el mejor ajuste que también pase por el punto cero. En la figura 2.2 se ilustran los tres métodos y cómo afectan el error respectivo por no linealidad. En general este error se expresa como un porcentaje del intervalo completo de salida. Por ejemplo, un transductor para medir presión tendría un error por no linealidad de ;0.5% del intervalo completo.
7. Repetibilidad/Reproducibilidad Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. El error que resulta al no obtener la misma salida después de aplicar el valor de entrada se expresa como un porcentaje del intervalo total de salida:
Se dice que un transductor para medir la velocidad angular tiene una repetibilidad de ;0.01% del intervalo total a una velocidad angular determinada
8. Estabilidad La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se usa para medir una entrada constante en un periodo. Para describir el cambio en la salida que ocurre en el tiempo, se utiliza el término deriva. La deriva se puede expresar como un porcentaje del intervalo total de salida. El término deriva del cero se refiere a los cambios que se producen en la salida cuando la entrada es cero.
9.Banda/Tiempo Muerto La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el intervalo de valores de entrada para los cuales no hay salida. Por ejemplo, la fricción de rodamiento de un medidor de flujo con rotor significa que no se produce salida hasta que la entrada alcanza cierto umbral de velocidad. El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la aplicación de una entrada hasta que la salida empieza a responder y cambiar.
10. Resolución Cuando la entrada varía continuamente en todo el intervalo, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar en pequeños escalones. Un ejemplo es el potenciómetro con devanado de alambre: la salida aumenta escalonada conforme el cursor del potenciómetro pasa de una vuelta del devanado a otra. La resolución es el cambio mínimo del valor de entrada capaz de producir un cambio observable en la salida. Por ejemplo, la resolución de un potenciómetro con devanado de alambre podría ser 0.5°, o quizás un porcentaje de la desviación en escala total. Para sensores con salida digital, el cambio mínimo de la señal de salida sería de 1 bit. Por lo tanto, un sensor que produzca una palabra de datos de N bits, es decir, un total de 2N bits, la resolución se expresaría como 1/2N.
11. Impedancia de Salida Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se enlaza o conecta con un circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida ya que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito. Al incluir el sensor, el comportamiento del sistema con el que se conecta podría modificarse de manera considerable. En la sección 6.1.1 se aborda el tema de la carga. Para ejemplificar lo anterior considere el significado de las siguientes especificaciones de un transductor de presión de galgas extensométricas: Intervalos: 70 a 1 000 kPa, 2 000 a 70 000 kPa Voltaje de alimentación: 10 V C.D. o C.A. RMS Salida a intervalo total: 40 mV No linealidad e histéresis: ;0.5% de la salida a intervalo total Intervalo de temperatura: –54°C a +120°C en operación Deriva del cero térmica: 0.030% de la salida a intervalo total/°C El intervalo anterior indica que el transductor sirve para medir presiones entre 70 y 1 000 kPa, o 2 000 y 70 000 kPa. Para operar requiere una fuente de alimentación de 10 V C.D. o C.A. RMS, produce una salida de 40 mV cuando la presión en el intervalo inferior es 1 000 kPa y cuando es 70 000 kPa en el intervalo superior. La no linealidad y la histéresis pueden producir errores de ;0.5% de 1 000, es decir, ;5 kPa en el intervalo inferior y de ;0.5% de 70 000, es decir, ;350 kPa en el intervalo superior. Este transductor se puede utilizar entre –54 y +120°C de temperatura. Cuando la temperatura cambia en 1°C, la salida del transductor correspondiente a una entrada cero cambia 0.030% de 1 000 = 0.3 kPa en el intervalo inferior y 0.030% de 70 000 = 21 kPa en el intervalo superior
Características Estáticas y Dinámicas
Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable, es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se asienta después de recibir cierta entrada. La terminología anterior se refiere a este tipo de estado. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y el tiempo en que el valor dado por el transductor logra su valor de estado estable. Las características dinámicas se expresan en función de la respuesta del transductor a entradas con determinadas formas. Por ejemplo, en una entrada tipo escalón, la entrada cambia bruscamente de 0 a un valor constante; en una entrada tipo rampa, la entrada se modifica a velocidad constante; o en una entrada senoidal con una frecuencia determinada. El lector encontrará los siguientes términos (en el capítulo 12 se da un tratamiento más detallado de los sistemas dinámicos):
Tiempo de Respuesta Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a un porcentaje especificado, como 95% del valor de la entrada (Figura 2.3). Por ejemplo, si un termómetro de mercurio se pone en un líquido caliente transcurrirá un lapso considerable, quizá 100 s o más, antes de que el termómetro indique 95% de la temperatura real del líquido.
