Parámetros de instrumentos de medición en procesos industriales

Medición del instrumento

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos.

Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: fabricación de derivados del petróleo, productos alimenticios, industria cerámica, centrales generadoras de energía, siderurgia, tratamientos térmicos, industria papelera, industria textil, etc.

En todos estos procesos es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como presión, caudal, nivel, temperatura, pH, conductividad, velocidad, humedad, punto de rocío, etc. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas variables en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.

En los inicios de la era industrial, el operario realizaba un control manual utilizando instrumentos simples (manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc.), suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la complejidad creciente exigió su automatización progresiva por medio de instrumentos de medición y control.

Estos instrumentos han liberado al operario de la actuación física directa en la planta y, al mismo tiempo, le han permitido una labor de supervisión y vigilancia del proceso desde centros de control ubicados en el propio proceso o en salas separadas. Gracias a los instrumentos, ha sido posible fabricar productos complejos con condiciones estables de calidad y características, algo imposible o muy difícil de lograr con control exclusivamente manual.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos deben mantenerse, en general, variables como presión, caudal, nivel, temperatura, etc., ya sea en un valor fijo deseado, en un valor variable con el tiempo según una relación predeterminada, o guardando una relación con otra variable.

El sistema de control que permite este mantenimiento puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente, sin intervención del operario.

Para que la comparación y la corrección sean posibles, se incluyen una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto forma un bucle o lazo llamado bucle de control. El bucle puede ser abierto (figura 1) o cerrado (figura 2).

En ambos casos existen elementos definidos como: elemento de medida, transmisor, controlador, indicador, registrador y elemento final. Estos elementos (y otros adicionales) se estudian en el resto del capítulo, considerando las características del instrumento y las clases de instrumentos usadas en procesos industriales.

2. Error del instrumento

Diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. En régimen permanente existe el error estático. En condiciones dinámicas, el error varía debido a retardos de lectura: los instrumentos absorben energía del proceso y la transferencia requiere tiempo.

En condiciones dinámicas aparece el error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento). Depende del tipo de fluido, su velocidad, el elemento primario (termopar, bulbo y capilar), medios de protección (vaina, pozo, casquillo), etc. El error medio es la media aritmética de los errores en cada punto, considerando recorridos crecientes y decrecientes de la variable.

3. Alcance (span)

Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento de temperatura de la figura 3, su valor es de 200 °C.

4. Incertidumbre de la medida (uncertainty)

Errores que existen necesariamente al realizar la medida de una magnitud y que producen valores inciertos (casuales o sistemáticos). La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden atribuirse razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

5. Repetibilidad (repeatability)

Capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable, en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.

Se considera en general su valor máximo y se expresa como porcentaje del alcance. Un valor representativo es ±0,1%. Nótese que la repetibilidad no incluye la histéresis (figura 3b).

6. Precisión (accuracy)

La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias formas de expresarla:

• a) % del alcance: para una lectura de 150 °C y precisión ±0,5%, con span 200 °C: 150 ± (0,5×200/100) = 150 ± 1 → entre 149 y 151 °C.
• b) En unidades: precisión de ±1 °C.
• c) % de la lectura: ±1% de 150 °C → ±1,5 °C.
• d) % del valor máximo del campo: ±0,5% de 300 °C → ±1,5 °C.
• e) % de la longitud de escala: si la escala mide 150 mm, ±0,5% → ±0,75 mm.

La precisión puede variar con la zona de escala. Por ejemplo, un manómetro puede tener ±1% en toda la escala y ±0,5% en la zona central.

Cuando se desea máxima precisión en un punto específico, el instrumento puede calibrarse para ese punto de trabajo. Ejemplo: termómetro 0–150 °C con ±1% en un baño a 80 °C; calibrado a ese valor, su precisión en ese punto puede aproximarse a la de un patrón. Para el resto del rango, especialmente cerca de los extremos, la precisión puede apartarse de ±1%.

Los fabricantes suelen dar precisión “para usuario” con margen de seguridad respecto de calibración en fábrica e inspección, para compensar diferencias de apreciación, instrumentos usados, transporte, efectos ambientales y envejecimiento.

7. Fiabilidad

Probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error durante un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.

8. Reproducibilidad o estabilidad

Capacidad de reproducir lecturas o señales de salida para el mismo valor de la variable, alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y durante un período de tiempo. Ejemplo: ±0,2% del alcance durante 30 días.

9. Sensibilidad (sensitivity)

Razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, luego de alcanzado el estado de reposo. Se expresa como porcentaje del alcance. Si la sensibilidad del instrumento de la figura 3 es ±0,05%, entonces: 0,05×200/100 = ±0,1 °C.

No debe confundirse sensibilidad con zona muerta: son conceptos distintos.

10. Resolución o discriminación

Magnitud de los cambios escalonados de la señal de salida (en % de la escala total de salida) al variar continuamente la medida en todo el campo. Es el grado con el que el instrumento puede discriminar valores equivalentes.

11. Campo de medida (range)

Espectro de valores de la variable medida comprendidos entre límites superior e inferior; se expresa con los dos valores extremos. Ejemplo: 100–300 °C (figura 3).

12. Espacio muerto o banda muerta (dead zone / dead band)

Campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento. Se expresa como % del alcance. Ejemplo: ±0,1% → 0,1×200/100 = ±0,2 °C.

13. Umbral

Al aumentar gradualmente la magnitud medida desde cero, puede requerirse un nivel mínimo antes de que el instrumento responda con una lectura perceptible.

14. Desplazamiento del cero

Ocurre cuando la medida cero no coincide con el cero de la escala. Idealmente, sin sensar variable, el instrumento debe leer cero. Este desajuste puede variar con el tiempo.

15. Demora

Cuando la magnitud cambia, puede transcurrir un tiempo (tiempo de respuesta) antes de que el instrumento responda a dicho cambio.

16. Histéresis (hysteresis)

Diferencia máxima observada en los valores indicados para un mismo punto del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en ambos sentidos (ascendente y descendente).

Se expresa como % del alcance. Ejemplo: ±0,3% de 200 °C = ±0,6 °C. La zona muerta está incluida dentro de la histéresis.

17. Función de transferencia

Relación matemática, gráfica o tabular entre señales de entrada y salida (función del tiempo) de un sistema o elemento. Equivale al cociente de las transformadas de Laplace de respuesta y excitación.

18. Calibración

Proceso de colocar marcas en un visualizador o comprobar un sistema de medida según estándares, cuando el transductor se encuentra en un medio definido.

19. Deriva

Variación de la señal de salida durante un período de tiempo mientras se mantienen constantes la variable medida y las condiciones ambientales. Se consideran, por ejemplo, deriva de cero y deriva térmica de cero. Suele expresarse como % de la escala total por unidad de tiempo o por intervalo de temperatura.

Ejemplo: deriva térmica de cero de un instrumento, en un mes, fue 0,2% del alcance.

20. Temperatura de servicio

Campo de temperatura en el cual se espera que el instrumento trabaje dentro de los límites de error especificados.

21. Vida útil de servicio

Tiempo mínimo durante el cual se aplican las características de servicio continuo o intermitente sin que se presenten cambios de comportamiento más allá de las tolerancias especificadas.

Conceptos destacados :