Los elementos de un instrumento

Es posible y conveniente describir tanto la operación como el rendimiento (grado en que se aproxima a la perfección) de los instrumentos de medida y equipo auxiliar, en general, sin recurrir a aparatos de física específicos. La operación puede describirse en función de los elementos activos de los sistemas de instrumentos, y el rendimiento se define en función de las características de rendimiento estático y dinámico, en esta sección se desarrolla el concepto de elementos activos de un instrumento o sistema de instrumentos.

Si se examinan diversos instrumentos de física con el fin de generalizar, pronto se reconoce en los elementos de los instrumentos un patrón de semejanza que se repite con respecto a la función, lo que conduce a la idea de dividir los instrumentos en un número de tipos limitados de elementos, de acuerdo con la función general ejecutada por el elemento. Esta división puede hacerse de varias maneras, y en la actualidad no se usan esquemas estandarizados aceptados universalmente. Un esquema que puede ayudar a comprender la operación de cualquier instrumento nuevo con el que pueda estar en contacto y también planificar el proyecto de un instrumento nuevo, se presenta en la figura siguiente.

Figura 1- . Elementos activos de un instrumento o sistema para medir

El diagrama de la figura 1 de arriba representa una posible disposición de los elementos activos en un instrumento e incluye todas las funciones básicas que se consideran necesarias para la descripción de cualquier instrumentó. El elemento sensor principal es el que primero recibe energía del medio medido y produce una salida que, de algún modo, depende de la cantidad medida. Es importante notar que un instrumento siempre extrae alguna energía del medio medido; por tanto, la cantidad medida resulta siempre alterada en el acto de la medida, siendo la causa de que una medida perfecta resulte teóricamente imposible. Los buenos instrumentos se proyectan de manera que disminuyan al mínimo este efecto, pero está siempre presente en menor o mayor grado.

La señal de salida del elemento sensor principal es alguna variable física, como un desalojamiento o un voltaje. Para que el instrumento ejecute la función deseada, puede ser necesario convertir esta variable en otra más adecuada, sin dejar de conservar el contenido de información de la señal original. Un elemento que ejecuta una función así se llama elemento de conversión variable.

Debe notarse que no todos los instrumentos necesitan incluir un elemento de conversión variable mientras que algunos requieren varios. Además, los "elementos" de que se habla son elementos activos, no físicos. Es decir, la figura arriba muestra un instrumento cuyos elementos activos han sido claramente separados en bloques, lo cual puede hacer pensar que el aparato físico se puede separar con precisión en subconjuntos que ejecutan las funciones específicas mostradas. En general, este no es el caso; por ejemplo, una pieza específica de utilería puede ejecutar varias funciones básicas.

Al ejecutar su propio trabajo, un instrumento puede requerir que una señal representada por alguna variable física se manipule de alguna manera. Por manipulación se entiende, específicamente, un cambio en valor numérico de acuerdo con alguna regla definida, pero conservando la naturaleza física de la variable. Así, un amplificador electrónico acepta una señal de pequeño voltaje como entrada y produce una señal de salida que es también un voltaje, pero es un número constante de veces mayor que la entrada. Un elemento que ejecuta esta función se llamará elemento de manipulación variable. No es necesario que invariablemente un elemento de manipulación variable siga a un elemento de conversión variable; puede precederlo, aparecer en otro lugar en la cadena, o no aparecer del todo.

Cuando los elementos funcionales de un instrumento están en realidad separados materialmente, es necesario transmitir los datos de uno a otro. Al elemento que ejecuta esta función se le llama elemento transmisor de datos. Puede ser tan sencillo como un cojinete y un eje, o tan complicado como un sistema de telemetría, para transmitir por radio señales de los proyectiles espaciales al equipo de tierra.

Si la información referente a la cantidad medida se va a comunicar a los seres humanos para monitorización, control o análisis, debe ponerse en una forma que pueda reconocer alguno de los órganos de los sentidos. El elemento que ejecuta esta función de "traducción" se llama elemento de presentación. Esta función incluye la simple indicación de un índice moviéndose en una escala, y también el registro de una estilográfica moviéndose en una hoja de registro. La indicación y el registro pueden también efectuarse en elementos discretos (en vez de en forma continua).

Mientras que la mayoría de los instrumentos se comunican con la gente por medio del sentido de la vista, el uso de otros sentidos es compatible, como el oído y el tacto. En algunos métodos de registro pueden presentarse los datos de manera que no sean apreciables directamente por los sentidos humanos. Un ejemplo digno de mencionar es la grabadora de cinta magnética. En este caso, se requieren los instrumentos adecuados para extraer la información almacenada cuando se desee y convertirla en una forma inteligible para el hombre.

La figura anterior se considera como un vehículo para presentar el concepto de elementos activos y no como un esquema físico de un instrumento general. Un instrumento dado puede incluir las funciones básicas en cualquier número o combinación; no necesitan aparecer en el orden de la figura 1. Un componente físico dado puede servir para varias funciones básicas.

Como ejemplo de los conceptos anteriores, se considera el manómetro rudimentario de la figura 2. Una de las varias interpretaciones posibles es la que sigue: el elemento sensor principal es el pistón, que también sirve para la función de conversión variable, ya que convierte la presión del líquido (fuerza por unidad de área) en una fuerza resultante en la cara del pistón. Se transmite la fuerza por la biela al resorte, que la convierte en un desalojamiento proporcional. Este desalojamiento de la biela se amplifica (manipulado) por la transmisión de palancas para que se produzca en el índice un desalojamiento mayor. El índice o manecilla y la escala indican la presión, sirviendo así como elementos presentadores de datos. Si fuera necesario ubicar el manómetro a alguna distancia de la fuente de presión, un tubo pequeño podría servir como elemento transmisor de datos.

La figura 3 representa un termómetro del tipo de presión. El bulbo lleno de líquido actúa como sensor principal y como elemento de conversión variable, ya que un cambio de temperatura se convierte en un aumento de presión dentro del bulbo, debido a la dilatación térmica del líquido confinado que lo llena. Esta presión se transmite por el tubo a un manómetro del tipo Bourdon que convierte la presión en desalojamiento. Este desalojamiento se manipula por la transmisión de palancas y los engranes para amplificar el movimiento de la manecilla. La escala y la manecilla sirven para la presentación de datos.

Figura 2 - Manómetro y la identificación de sus elementos.

Figura 3- Termómetro de presión.

Elementos activos y pasivos

Una vez que se han identificado ciertas funciones básicas comunes a todos los instrumentos, es oportuno ver la posibilidad de hacer algunas generalizaciones de cómo pueden ejecutarse estas funciones. Una de estas generalizaciones es la que se refiere a la energía. Al ejecutar cualquiera de las funciones generales indicadas en la figura 6.2, un componente físico puede actuar como transductor activo o como transductor pasivo.

Aquellos componentes en los que la energía de salida la proporciona casi en su totalidad la señal de entrada se llaman comúnmente transductores pasivos. Las señales de entrada y de salida pueden estar formadas por energía de la misma forma (ambas pueden ser mecánicas) o puede haber conversión de energía cambiando de una forma a otra (de mecánica a eléctrica) (En mucha literatura técnica el término transductor se restringe a los dispositivos en los que hay conversión de energía, pero, ajustándose a la definición que de este término da el diccionario, no se hará esta restricción). Por otra parte, el transductor activo, tiene una fuente auxiliar de potencia que suministra gran parte de la potencia de salida, mientras que la señal de entrada suministra solamente una porción insignificante. Además, puede haber o no conversión de una forma a otra de la energía.

Figura 4 - Servomecanismo para instrumentos

Transductores

Otro transductor activo de gran importancia práctica, el servomecanismo de instrumentos, se muestra en forma simplificada en la figura 6.5. Este es en realidad un sistema de instrumentos formado de componentes, algunos de los cuales son transductores pasivos y otros transductores activos. Sin embargo, cuando se considera como entidad, con voltaje de entrada ei y desalojamiento de salida xo, satisface la definición de un transductor activo y conviene considerarlo así. El objeto de este aparato es hacer que el movimiento xo siga las variaciones del voltaje ei en forma proporcional. Como el par motor es proporcional al voltaje de error ee, es claro que el sistema puede estar en reposo solamente si ee es cero. Esto ocurre solo cuando ei = esl; como esl es proporcional a xo, esto significa que xo debe ser proporcional a ei en el caso estático. Si ei varía, xo tenderá a seguirlo, y con un proyecto correcto será posible obtener un "seguimiento" preciso de ei por xo.

Conversores

La conversión A/D y D/A, el principio de funcionamiento de los ordenadores está basado en el mundo de la lógica binaria de los circuitos en los que sólo son tenidos en cuenta dos niveles de tensión: el nivel alto que se hace corresponder matemáticamente en lógica positiva a un uno y el nivel bajo que se hace corresponder a un cero.

Con estos dos niveles funcionan la totalidad operacional de los computadores, micros, microprocesadores y periféricos. Los programas son también transformados en último término a ceros y unos para ser introducidos en memoria. De lo dicho se deduce que difícilmente un ordenador podría tomar contacto con el amplio mundo analógico que le rodea, por ejemplo, para procesar temperaturas, tensiones o cualquier otro parámetro analógico, con un número indeterminado de niveles; de ahí la necesidad de la conversión analógico-digital (A/D) o digitalanalógica (D/A) como paso intermedio o interfaz entre el mundo de lo lógico y el mundo de lo analógico.

Conversores D/A

En la conversión D/A a cada valor binario de la entrada le corresponde un nivel de tensión a la salida. Existen varios métodos para obtener la conversión digital-analógica, de los cuales describimos aquí algunos, de modo algo simplificado para alcanzar la finalidad conceptual que se pretende.

Llegados a este punto, es preciso remarcar que en los procesos de conversión siempre intervienen dos factores que es necesario apreciar al máximo para obtener éxito en los resultados. Por una parte está la precisión de la medida, lo cual conlleva un rechazo máximo de los errores de conversión, cosa que complica visiblemente la circuitería, y por otra parte, los ruidos eléctricos, muy abundantes en el ambiente y que perjudican y alteran la precisión. En nuestra descripción funcional de un D/A prescindimos de estas protecciones en aras de una mayor simplicidad.

Convertir un dato en binario a un nivel analógico no es más que atribuir un valor de tensión a cada valor binario; así, el rango de valores en hexadecimal desde 00 hasta FF (FF = 256 en decimal) se corresponderá con otros tantos 256 valores niveles o valores de tensión.

Para conseguir pasar un valor en binario a un nivel de tensión, se recurre a una red de resistencias que, debidamente conectadas y con unos valores concretos, genere una tensión en función de los niveles eléctricos binarios que se encuentren en un momento dado en cada uno de los bits que intervienen en la conversión. La mencionada red resistiva es, por tanto, la clave de la conversión. Existen dos redes perfectamente diferenciadas que cumplen este cometido: la red de resistencias ponderadas y la red R, 2R. Para explicar este concepto, supongamos que disponemos de un registro de cuatro bits que puede ser cargado con cualquier valor desde 0 a F.

Una red ponderada de resistencias consistiría en conectar una resistencia a cada salida, los valores de estas resistencias están en función del peso de cada salida del registro, de ahí lo de ponderadas, de manera que los valores de las resistencias a conectar desde el bit de mayor peso al menor son R, 2R, 4R y 8R. Si una vez conectadas estas resistencias, se aplicaran los valores binarios 0 a F consecutivamente se observaría una rampa ascendente de 16 escalones, cada uno de los escalones se correspondería con un valor binario. Obsérvese que los valores de las resistencias siguen en orden inverso al valor del exponente binario de las salidas del registro.

Por el mismo procedimiento se puede continuar la red resistiva, si se desea mayor precisión hacen falta más escalones y, por ende, más bits. Para mayor comprensión véanse las figuras 5 y 6. También puede efectuarse por otro procedimiento denominado red resistiva R, 2R. En este sistema a cada bit de salida se le conecta una resistencia de valor 2R, al otro extremo de las resistencias se coloca otra de valor R. En esta red el valor óhmico de las resistencias denominadas R es el que determina el valor de 2R, que evidentemente será el valor doble de R. Este sistema tiene la ventaja respecto al sistema de resistencias ponderadas que emplea únicamente dos valores distintos de resistencias, siendo R un valor cualquiera. La salida analógica se toma después de la resistencia en serie del bit de mayor peso. El sistema posee un registro de cuatro bits que puede ser cargado con cualquier valor binario. En sus salidas se conecta la red R, 2R. En la salida de la red se encontrará instantáneamente el valor analógico de tensión correspondiente al dato hexadecimal que está entregando el registro.

Dado que el registro de nuestro ejemplo es de cuatro bits, la red R, 2R será capaz de entregar hasta 16 niveles distintos de tensión. Si se cargaran de forma consecutiva en el registro los valores hexadecimales del O al F, la red R, 2R entregaría su salida una rampa lineal escalonada.

Figura 5- . En la conversión D/A a cada valor binario de la entrada le corresponde un nivel de tensión en la salida.

Figura 6 - Conversor digital analógico D/A por el sistema de resistencias ponderadas

Conversores A/D

La conversión analógica-digital consiste en convertir valores analógicos en digitales. En esencia es el proceso inverso a la conversión digital-analógica. En la conversión A/D a cada valor de la entrada, o mejor, a cada margen de valores analógicos le corresponde un valor digital a la salida, dado que dentro del citado margen de valores analógicos que le corresponden a cada valor binario de salida, el dispositivo siempre tomará uno de ellos, lo que establece una cierta imprecisión en la conversión; por lo que siempre se le atribuye a ésta el error de ±1 dígito, lo que determina, entre otras razones de diseño, que si se desea mayor precisión habrá que aumentar el número de bits de salida en la conversión, atribuyéndosele siempre al bit de menor peso el error constante de ±1.