Instrumentación: conjunto de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados.
El instrumento más conocido y utilizado es el reloj, el cual permite controlar el uso eficaz del tiempo.
En otras palabras, la instrumentación es una “ventana” a la realidad de lo que está sucediendo en un proceso.
Esto permite determinar si el proceso va encaminado hacia donde se desea y, de no ser así, actuar de forma correctiva
sobre algunos parámetros del sistema.
La instrumentación ha permitido grandes avances tecnológicos en casos tales como: viajes espaciales, automatización de procesos industriales y muchos otros
aspectos del mundo moderno. La automatización es posible gracias a elementos capaces de sensar lo que sucede en el ambiente y ejecutar una
acción de control preprogramada.
Características de los instrumentos
De acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las características de mayor importancia son:
Campo de medida o rango (Range)
Conjunto de valores, dentro de los límites superior e inferior, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable.
Ejemplo: termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 °C.
También se define como el espectro (o conjunto) de valores de la variable de medida comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida
o de transmisión del instrumento; se expresa indicando los dos valores extremos.
Alcance (Span)
Diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida (diferencia algebraica entre ambos).
Para el termómetro del ejemplo: Span = 50 °C.
Error
Diferencia entre el valor indicado por el instrumento y el valor real de la variable de proceso en ese momento.
Existen tres tipos de errores:
Errores grandes (gross errors): generalmente de origen humano (mala lectura, ajuste incorrecto, aplicación inapropiada, errores de cálculo).
Errores sistemáticos: debidos a fallas del instrumento (partes defectuosas o gastadas) y a efectos ambientales sobre el equipo.
Errores aleatorios: acumulación de muchos errores muy pequeños, difíciles de identificar; preocupan especialmente en mediciones de alta exactitud y se analizan estadísticamente.
Los errores sistemáticos (y, a veces, también los aleatorios) pueden clasificarse en:
Errores estáticos: si el proceso está en régimen permanente, el error es estático; suele originarse en limitaciones del dispositivo o en leyes físicas que gobiernan su comportamiento.
Errores dinámicos: en condiciones de cambio continuo existe un error dinámico asociado a retrasos en la medición; influyen acoplamientos, materiales, proceso a medir, etc.
Escala completa de salida
Diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el máximo estímulo de entrada y el mínimo estímulo de entrada,
incluyendo desviaciones de la función de transferencia lineal. (En muchas figuras se abrevia como SFS).
Exactitud (Accuracy)
En especificaciones, suele referirse a la falta de exactitud: máxima desviación del valor indicado por el sensor respecto del valor ideal.
Normalmente se expresa en porcentaje (%).
Ejemplo: Un sensor de desplazamiento ideal debería generar 1 mV por 1 mm. En una prueba, 10 mm producen 10,5 mV.
Si se interpretara sólo el voltaje, se inferiría 10,5 mm (0,5 mm de desviación). Eso equivale a una “exactitud” (falta de exactitud) del 5%.
A esa desviación se la llama error.
Precisión
Tolerancia mínima de medida que permite indicar, registrar o controlar el instrumento. En indicadores, es la mínima división de escala.
Generalmente se expresa como % del span. La precisión indica la capacidad de reproducir una lectura con una exactitud dada.
Ejemplo: Se mide un voltaje real de 100 V. Lecturas: 104, 103, 105, 103, 105.
R: La desviación máxima respecto de 100 V es 5 V → exactitud (falta de) 5%.
La precisión se relaciona con la dispersión: en este caso, desviación típica respecto del promedio, aproximadamente ±1%.
Zona muerta (Dead band)
Máximo campo de variación de la variable del proceso para el cual el instrumento no registra variación en su indicación, registro o control.
Es el área de valores de la variable que no hace variar la indicación del instrumento.
Fig.: Zona muerta
Saturación
Área en la cual el instrumento sobrepasa su capacidad máxima de operación, presentando un comportamiento distinto al normal y, por lo tanto, no confiable.
Sensibilidad
Relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio del proceso que causa ese efecto.
Repetibilidad
Capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición para un mismo valor de la variable real, en una única dirección de medición.
Histéresis
Similar a la repetibilidad, pero considerando medición en ambas direcciones.
El error de histéresis es la desviación de la señal de salida en un punto específico de entrada cuando se aproxima desde direcciones opuestas.
Fig.: Histéresis
Ejemplo: Un termómetro indica 49 °C para un objeto de 50 °C cuando el objeto pasa de más frío a más caliente,
y 51 °C cuando pasa de caliente a más frío. En este caso, la histéresis es ±1 °C.
Campo de medida con supresión de cero
Rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable.
Campo de medida con elevación de cero
Rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de la variable.
Parámetros en sensores
Impedancia de salida: relevante para realizar una buena interfaz con un circuito electrónico. La impedancia del sensor (Zout) se conecta en paralelo o en serie según se maneje corriente o voltaje.
Fig.: Impedancia de salida
Condiciones de almacenamiento: tiempo máximo y mínimo, humedad relativa máxima y mínima, presencia de gases, etc.
Estabilidad de largo plazo: envejecimiento de materiales que produce cambios irreversibles en propiedades eléctricas, mecánicas, químicas o térmicas del sensor.
Algunos sensores se someten a envejecimiento acelerado para mejorar sus características.
Efectos térmicos: pueden especificarse por bandas dentro de límites de operación.
Ejemplo:
Accuracy: ±1% de 0 a 50 °C; ±2% de −20 a 0 °C y de 50 a 100 °C; ±3% fuera de esos rangos.
Límites de operación: −40 a 150 °C.
Error de autocalentamiento: ocurre cuando la señal de excitación es absorbida por el sensor y su temperatura cambia afectando la exactitud.
Clasificación de los instrumentos
Existen dos formas comunes de clasificar los instrumentos:
De acuerdo con su función en el proceso.
De acuerdo con la variable de proceso que miden.
De acuerdo con su función, pueden ser:
Instrumentos indicadores: indican directamente el valor de la variable (manómetros, termómetros, etc.).
Instrumentos ciegos: cumplen una función reguladora pero no muestran el valor (termostatos, presostatos, etc.).
Instrumentos registradores: generan un registro histórico de la variable.
Elementos primarios: están en contacto directo con el fluido/variable y absorben energía del proceso (ej.: placa orificio).
Sensor: recibe un estímulo y responde con una señal eléctrica, requiera excitación o no (piezoeléctrico, termopar, galga extensiométrica, etc.).
Transmisores: reciben la variable (a través del elemento primario) y la transmiten a un punto remoto con señales proporcionales.
Transductores: dispositivos fuera de línea que convierten energía de una naturaleza en otra; pueden incluir operaciones de acondicionamiento (celdas de carga, acelerómetros, etc.).
Convertidores: adaptan una señal para hacerla compatible con el receptor (compatibilidad de señal).
Receptores: interfase proceso–operador, normalmente en panel de control; reciben señales de transmisores o convertidores.
Controladores: comparan la medición con el valor deseado y generan una señal de corrección.
Elemento final de control: recibe la señal del controlador y actúa sobre el proceso (válvulas de control, compuertas, etc.).
De acuerdo con la variable de proceso que miden: se refiere a la variable que se desea medir. En la actualidad, se pueden medir casi todas las variables; algunas se miden en forma directa y otras indirectamente.
Diagramas de flujo
El diagrama de flujo de procesos es uno de los documentos más importantes para el ingeniero de diseño de instrumentación.
Presenta en forma secuencial los equipos del proceso, datos deseables, expectativas de rangos de variación, características relevantes, sentidos de flujo y otros datos útiles.
Es valioso no sólo para instrumentación, sino también para todas las disciplinas.
El diagrama informa qué se espera que el proceso haga y cómo lo hará, pero rara vez indica qué puntos o variables se desean controlar.
Para definirlo se requiere consenso entre procesos e instrumentación.
Luego se definen puntos de medición, características de fluidos, rangos y qué variables se desean indicar, controlar y/o registrar.
Esta etapa suele ser difícil por criterios no claros o por falta de datos; en plantas existentes puede requerirse un levantamiento de campo.
Transductores y señales de campo
Un transductor es todo dispositivo que convierte una señal de entrada en otra de diferente naturaleza física.
Por ejemplo, un micrófono convierte ondas sonoras en señales eléctricas y un altavoz convierte señales eléctricas en ondas sonoras.
En instrumentación, normalmente se busca transformar variables físicas o químicas en magnitudes eléctricas.
La salida del transductor es una función conocida de la entrada; puede no ser lineal, aunque se procura que lo sea para simplificar el tratamiento.
La señal entregada por un transductor rara vez se usa directamente: suele acondicionarse (aislamiento, acoplo de impedancias, amplificación, filtrado,
linealización, etc.). En campo, es común convertir al estándar de corriente 4–20 mA para transmisión a distancia por su inmunidad al ruido.
Según la señal de salida, se pueden clasificar en:
Transductores de resistencia variable
Transductores de reactancia variable (capacitivos o inductivos)
Transductores generadores de carga
Transductores generadores de tensión
Transductores generadores de corriente
Transductores digitales
Los dos primeros suelen ser pasivos (no generan señal: la transforman). Los restantes se consideran activos (generan señal), aunque no siempre requieren alimentación externa (ej.: piezoeléctricos).
Fig.: Transformación de una variable física en eléctrica
Transductores de resistencia variable
Muy populares para medir muchas variables: potenciómetros lineales, galgas extensiométricas, RTD, termistores, magnetorresistencias, LDR, higrómetros resistivos, etc.
Requieren alimentación y puede existir autocalentamiento.
La resistencia puede medirse en forma directa, pero el método más preciso y sensible es el puente de Wheatstone, con salida a través de un amplificador diferencial.
Transductores de reactancia variable
Capacitivos: para desplazamientos muy pequeños y medida de niveles/espesores dieléctricos.
Inductivos: reluctancia variable, corrientes de Foucault y transformadores diferenciales (LVDT).
Requieren medición en alterna y conversión a continua.
Transductores generadores de carga
En reposo tienen resistencias muy altas (corrientes muy bajas). Se usan en radiación, células fotoeléctricas, ionización y piezoeléctricos.
Para medida continua se usan amplificadores de carga; para impulsos, analizadores de pulsos.
Transductores generadores de tensión
Termopares, pHmetros, medidores Redox, etc. Ventaja: fácil conexión (puede requerir adaptación de nivel). Desventaja: transmisión a distancia más sensible al ruido.
Transductores generadores de corriente
Muy usados en instrumentación de proceso por el estándar 4–20 mA. Para ingresar a sistemas que trabajan en tensión, se convierte corriente a tensión con una resistencia de precisión.
Transductores digitales
Frecuentes en equipos electromecánicos para indicar estados: finales de carrera, interruptores, alarmas, etc.
Para el ordenador, sólo requieren adaptación de niveles.
Sistemas de adquisición de datos
Los sistemas digitales se usan ampliamente por su bajo costo y ventajas en inmunidad al ruido y precisión.
En el mundo físico, las variables son continuas: se acondicionan y luego se convierten a digital mediante un conversor A/D.
Un sistema típico: transductor → amplificador (1 a 10 V) → filtro pasa-bajos → multiplexor → sample and hold → conversor A/D → sistema digital (PC, controlador, transmisor, etc.).
Fig.: Esquema general de un sistema de adquisición de datos
La secuencia de tiempos la controlan circuitos de control (desde el PC), coordinando multiplexor, muestreo y conversión A/D.
Conceptos destacados :
industrial instrumentation
(instrumentación industrial). Conjunto de elementos utilizados para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar su operación y recursos.
measurement range
(campo de medida o rango). Conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior en los cuales un instrumento puede operar de forma confiable.
span
(alcance). Diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo del campo de medida de un instrumento.
measurement error
(error de medición). Diferencia entre el valor indicado por el instrumento y el valor real de la variable medida.
accuracy
(exactitud). Máxima desviación del valor indicado por un instrumento respecto del valor verdadero; suele expresarse en porcentaje.
precision
(precisión). Capacidad de un instrumento para reproducir lecturas consistentes o distinguir pequeñas variaciones en la medición, generalmente expresada como porcentaje del alcance.
dead band
(zona muerta). Intervalo de variación de la variable del proceso en el cual el instrumento no produce cambio observable en su indicación o señal de salida.
sensitivity
(sensibilidad). Relación entre la variación de la salida del instrumento y el cambio correspondiente en la variable del proceso que lo produce.
transducer
(transductor). Dispositivo que convierte una magnitud física o química en otra señal de distinta naturaleza, normalmente eléctrica, manteniendo una relación funcional entre ambas.
data acquisition system
(sistema de adquisición de datos). Conjunto de dispositivos que reciben una magnitud física, la convierten en señal eléctrica, la acondicionan y la digitalizan mediante conversión A/D para su procesamiento.
