1. Descripción de un sistema de medida y control

Un sistema es un conjunto de elementos o partes simples relacionadas entre sí con una función o acción determinadas. En el caso de los sistemas de medida esta función es medir. De esta forma, a gran escala, podemos enumerar los principios generales de un sistema de medida, que nos da una perspectiva un poco mas amplia del la finalidad de un sistema de medida. Asi tendremos:

Sensado: Esta función extrae la información referida a una propiedad del sistema físico dando una señal que tiene una relación de transferencia respecto a la propiedad a medir.

Acondicionamiento: Encargada de transformar la señal de sensado en otra de tipo electrónico (corriente, tensión, frecuencia) que sea más fácilmente tratable para las etapas de procesamiento.

Transmisión: Función en el sistema de medida consistente en la interconexión de las diferentes etapas con objeto que circule la información a su través.

Adquisición: Consiste en retener y codificar la información de forma conveniente para su tratamiento posterior.

Procesamiento: Consiste en extraer de la señal adquirida la información que se quiere presentar.
En función de la complejidad de esta información será necesario utilizar un procesamiento analógico o digital.

Registro: Las señales pueden ser registradas para su uso inmediato o para un tratamiento posterior.

Representación: Es la interfaz entre el sistema de medida y las facultades de percepción humanas. En ella, las unidades de representación visual analógica o digital, los monitores, registradores etc., son típicos representantes de esta función.

Alimentación energética: Encargada de suministrar el consumo energético del sistema de medida. Es una etapa alejada del proceso de medición y que suministra de forma estable y precisa el consumo energético requerido para el sistema de medida.

2. Identificación del sistema de medida y sus bloques constitutivos

La palabra Sistema se utiliza en muy diversas áreas, pero en todas ellas su definición podría ser: "Conjunto de dos o más elementos interconectados entre sí para formar un todo unificado que tiene por objeto realizar una o varias funciones". El Sistema de Medida y Control es aquel que realiza funciones de medición de magnitudes físicas, químicas, biológicas, … procesando estas informaciones para regular el funcionamiento del sistema físico que pretende controlar, según los datos obtenidos en el proceso de adquisición de datos y medición. que proporcionan información en tiempo real sobre el proceso. Esta información está compuesta por variables del proceso como temperaturas, niveles, caudales,etc., que son captadas por los sensores correspondientes, y por el estado de la maquinaria (marcha, paro, consumos,etc.).Algunos ejemplos de medida a efectuar por un sistema de control pueden ser: medida de la temperatura interna de un horno, medida de la posición o del esfuerzo en un brazo robot, etc. Podriamos representar mediante un pequeño diagrama la función que ejerce un sistema de control.

Toda medición exige tres funciones básicas: adquirir la información, mediante un elemento sensor o transductor, procesar dicha información y presentar los resultados, de forma que puedan ser percibidos por nuestros sentidos.

El esquema que presentamos a continuación es una visión esquematizada de un sistema de medida:

2.1. Definición de cada bloque constitutivo: Transductor, sensor, actuador, acondicionador

*Un Transductor es aquel dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente eléctrica. Es necesario diferenciar el elemento sensor del transductor, ya que este último es un dispositivo más complejo que puede incluir un amplificador, un conversor A/D, etc. El Sensor es el elemento primario que realiza la transducción, y por tanto, la parte principal de todo transductor.La señal de salida de los transductores suele ser eléctrica, ya que esto supone una serie de ventajas:

1) Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico de un material vendrá acompañada de la variación de un parámetro eléctrico. Escogiendo un material adecuado a cada caso, es posible realizar transductores con salida eléctrica para medir cualquier magnitud física.

2) Dado que no es conveniente absorber energía del sistema a medir, es muy ventajoso la utilización de transductores de salida eléctrica, que puede ser amplificada posteriormente.

3) Las señales eléctricas pueden ser filtradas, moduladas, etc. gracias al gran número de circuitos integrados que facilitan estos recursos.

4) Existen multitud de recursos para registrar y presentar información de forma electrónica (LEDs, displays, bancos de memoria, PCs,...).

5) La transmisión de señales eléctricas es más versátil que la de otro tipo de señales, como las neumáticas o hidráulicas, que requieren equipos más costosos y difíciles de mantener. No obstante, se utilizarán estos sistemas en lugares donde el riesgo de incendio o explosión lo requieran.

*Un sensor es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Esto es independiente de si el sensor requiere excitación o no para generar la señal eléctrica.

*Los Actuadores o Accionadores son aquellos elementos que realizan una conversión de energía con objeto de actuar sobre el sistema a controlar para modificar, inicializar y corregir sus parámetros internos. La actuación es la etapa final del proceso de control. Las órdenes son enviadas por el controlador y se aplican al sistema físico a través de los actuadores. Esta actuación modificará el estado del sistema, que volverá a ser medido por los transductores para realizar un nuevo bucle de control.

*Los Acondicionadores de Señal o adaptadores, son los elementos del sistema de medida y control que reciben la señal de salida de los transductores y la preparan de forma que sea una señal apta para usos posteriores (principalmente su procesado en un PLC o PC Industrial). Los acondicionadores no sólo amplifican la señal, sino que también pueden filtrarla, adaptar impedancias, realizar una modulación o demodulación, etc.

2.2. Conceptos generales sobre la medida

La resolución de un sistema es el menor cambio en la variable del proceso capaz de producir una salida perceptible en el instrumento. Se expresa en general como un porcentaje del Límite Superior de medición del instrumento ( valor a fondo de escala del mismo). Asimismo podemos definir el margen de variación como la diferencia entre los valores máximo y mínimo de una magnitud, y el cociente entre el margen de medida y la resolución se denomina margen dinámico (MD). Estos tres conceptos juegan un papel determinante en la base teórica previa al conocimiento del funcionamiento de un sistema de control.

3. Sensor

La palabra se usa por extensión toda una serie de aparatos y dispositivos. Sin embargo entrando mas en detalle se puede decir que el sensor en sí es el elemento primario de medición.
Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. Entonces es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Esto es independiente de si el sensor requiere excitación o no para generar la señal eléctrica. Ejemplos: Sensor piezoeléctrico, termopar, galga extensiométrica.omponentes activos.

3.1. Clasificación

Aunque es un poco complicado realizar una clasificación única, debido a la gran cantidad de sensores que existen actualmente, las siguientes son las clasificaciones mas generales y comunes:

I. Un tipo de clasificación muy básico es diferenciar a los sensores entre PASIVOS o ACTIVOS: los sensores activos generan la señal de salida sin la necesidad de una fuente de alimentación externa, mientras que los pasivos si requieren de esta alimentación para poder efectuar su función.

II. Según el tipo de señal que proveen a la salida:

* Todo o nada, son los sensores que solo poseen dos estados, y que, estos estados, únicamente están separados por un valor umbral de la variable monitoreada.

*Digitales, estos sensores proporcionan una señal codificada en pulsos o sistemas como BCD, binario, etcétera.

*Analógicos, estos sensores proporcionan un valor de voltaje o corriente, donde la señal más común utilizada en aplicaciones industriales es un circuito de corriente de 2 hilos y 4-20 mA.

III. Según el tipo de magnitud física a detectar:

a. Medición de temperatura. Pirómetro ópticoPirómetro de radiación.Termistor.Termopar.

b. Medición de esfuerzos y deformaciones.

c. Medición de movimiento.

Grandes distancias: Radar, láser, Ultrasonido, etc.
Distancias pequeñas:Métodos ópticos.Métodos inductivos (LDT y VDT).

Posición linear o angular:Codificadores increméntales.

d. Sensores de Presencia o Proximidad: Inductivos.Capacitivos.Fotoeléctricos.De efecto Hall.Radiación.Infrarrojos.

e. Sistemas de visión artificial:Cámaras CCD.

f. Sensores de humedad y punto de rocío: Humedad en aire – gases.Humedad en sólidos.Punto de rocío.

g. Sensores de caudal. De sólidos, líquidos o gases.Presión diferencial.Medidores magnéticos.Medidores por fuerzas de Coriolis.Medidores de área variable.Medidores de desplazamiento positivo.

h. Sensores de nivel. De líquidos y sólidos.

i. Sensores de presión.

j. Sensores de Fuerza y par: Calibrador de tensión.De array táctil.

k. Sensores de intensidad lumínica.

l. Sensores de aceleración.

m. Sensores de velocidad lineal o angular.

n. Sensores táctiles: Matriz piezoeléctrica, óptica o capacitiva.Matriz de contactos.

Desde el punto de vista de la Ingeniería Electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos.

Así tenemos la siguiente clasificación alternativa:

*Sensores Resistivos: entre los cuales se encuentran los potenciómetros, detectores de temperatura resistivas (RTD), termistores, magnetorresistencias, fotorresistencias (LDR), higrómetros resistivos, resistencias semiconductoras para detección de gases.

*Sensores de Resonancia y Electromagnéticos: el primero se clasifica en sensores capacitivos e inductivos, y el segundo en sensores electromagnéticos.

*Sensores Generadores: se clasifican en sensores termoeléctricos, piezoeléctricos, piroeléctricos, fotovoltaicos y electroquímicos.

*Sensores Digitales: codificadores de posición, sensores autorresonantes.

*Sensores Fotoeléctricos: también conocidos por sensores ópticos que manipulan la luz de forma a detectar la presencia del accionador.

*Otros métodos de detección: son los sensores basados en uniones semiconductoras, en transistores MOSFET, en dispositivos de acoplamiento de caga (CCD), sensores basados en ultrasonidos, en fibras ópticas y los biosensores.

3.2. Interferencias

Son entradas espúreas que el instrumento detecta sin la intención de hacerlo. En un sistema de medida el sensor es el elemento dispuesto expresamente, con la misión de obtener información en forma de señal eléctrica sobre la propiedad medida. Pero no sería razonable esperar, a priori, que por una parte el sensor respondiera exclusivamente a la magnitud de interes, y que por otra el origen de la señales de salida fuera unicamente la señal de entrada. La experiencia demuestra que no es asi y por lo tanto conviene tener en cuenta esta realidad. Las perturbaciones son aquellas señales que afectan indirectamente a la salida debidos a su efecto sobre las características del sistema de medida.