Conceptos Esenciales de Instrumentación y Sistemas de Control

Conceptos Fundamentales en Instrumentación y Sistemas de Control

Aliasing: Distorsión por Muestreo Incorrecto

El aliasing es la alteración de la percepción de un determinado movimiento o señal. Se produce cuando la frecuencia de muestreo de una señal digitalizada es inferior al doble de su frecuencia máxima (violando el Teorema de Nyquist-Shannon), lo que genera imperfecciones y distorsiones en la representación digital de la señal original.

Términos Clave en Medición y Calibración

• Rango: Es la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo de una variable medida.
• Precisión: Cualidad de un instrumento para proporcionar valores muy próximos entre sí cuando se mide repetidamente el mismo valor de la variable.
• Repetibilidad: Variación de las mediciones obtenidas con un sistema de medición cuando es utilizado varias veces por el mismo operador, midiendo la misma característica y sobre la misma pieza.
• Perturbación: Alteración o trastorno que se produce en el orden o en las características permanentes que conforman un sistema, o en el desarrollo normal de un proceso.
• Histéresis: Máxima diferencia en el valor medido cuando se toman mediciones en sentido ascendente y descendente de la variable.

Tipos de Detectores y Sensores

Detectores de Posición (Sensores de Distancia)

Estos sensores, también conocidos como medidores de coordenadas, indican la posición relativa o absoluta de un objeto móvil en una máquina, ya sea angular o lineal.

Ejemplos de Detectores de Posición:

• Potenciómetro
• Encóder (relativo o absoluto)
• Sincros y Resolvers
• Inductosyn

Detectores de Pequeñas Deformaciones o Medidores de Distancia

Sensores diseñados para medir pequeñas variaciones en la forma o la distancia de un objeto.

Ejemplos de Medidores de Distancia:

• LVDT (Transformador Diferencial Variable Lineal)
• Medidor Láser
• Medidor por Ultrasonido

Clasificación de Sensores por Contacto

• Sensores Intrusivos: Aquellos que están en contacto directo con la magnitud física que se desea medir (ejemplo: una PT100 para temperatura).
• Sensores No Intrusivos: Aquellos que miden la señal física del proceso sin necesidad de contacto directo.

Conceptos en Sistemas de Control

Lazo Abierto vs. Lazo Cerrado

• Lazo Abierto: En este tipo de sistema, la salida no tiene efecto sobre la acción de control. No es posible la automatización completa ya que no existe realimentación para corregir errores.
• Lazo Cerrado: Un sistema de control de lazo cerrado está compuesto por varios elementos clave: un selector, un comparador, un controlador, un accionador, el proceso a controlar y un elemento de medida (sensor) que proporciona realimentación.

Componentes Clave de un Sistema de Control

• Regulador AD/DA: Dispositivos encargados de mejorar las respuestas del sistema, realizando la conversión de señales analógicas a digitales (AD) y de digitales a analógicas (DA).
• Actuador: Dispositivo encargado de actuar directamente sobre el proceso una vez recibida la orden del regulador, ejecutando la acción de control.

Digitalización y Muestreo de Señales

Frecuencia de Nyquist

Es la máxima frecuencia de una señal analógica que puede ser digitalizada correctamente, dada una frecuencia de muestreo específica. Para evitar el aliasing, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal original.

Ejemplo: Si la frecuencia máxima de muestreo es de 44 kHz, se podrá digitalizar una señal con una frecuencia máxima de 22 kHz.

Frecuencia de Muestreo

Es la frecuencia a la que se debe analizar una señal analógica para que pueda ser reproducida digitalmente con una calidad mínima aceptable. Según el Teorema de Nyquist-Shannon, esta frecuencia debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal original.

Ejemplo: Si la señal a muestrear tiene una frecuencia máxima de 2.500 Hz, el conversor AD debe operar a un mínimo de 5 kHz (el doble).

Sensores y Comparadores Analógicos

• Sensor Analógico: Elemento del sistema de control encargado de medir el valor de una magnitud física y proporcionar una salida analógica (es decir, no binaria, sino un rango continuo de valores).
• Comparador Analógico: Dispositivo que proporciona una señal de error al comparar el valor de salida de un sistema con la respuesta esperada. Son fundamentales para la detección de desviaciones.