INSTRUMENTACION INDUSTRIAL - DEFINICIÓN DE INSTRUMENTACIÓN

Instrumentación: es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.

El instrumento más conocido y utilizado es el reloj, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo.

En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos

parámetros del sistema y proceder de forma correctiva.

 La instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los procesos industriales y mucho otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actué sobre el sistema para obtener el resultado previsto.

CARACTERÍSTICA DE LOS INSTRUMENTOS

De acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las características de mayor importancia, para los instrumentos son:

CAMPO DE MEDIDA O RANGO (RANGE)

Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 grados celsius. Espectro o conjunto de valores de la variable de medida que están comprendidas dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

ALCANCE (SPAN)

Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Para el caso del termómetro del ejemplo, el SPAN será de 50 grados celsius.

ERROR

Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

EXISTEN TRES TIPOS DE ERRORES:

Errores grandes (gross errors): Son en general de origen humano, como la mala lectura de los instrumentos, ajuste incorrecto y aplicación inapropiada, así como equivocaciones en los cálculos.

· Errores sistemáticos: Se deben a fallas de los instrumentos, como partes defectuosas o gastadas, y efectos ambientales sobre el equipo del usuario.

· Errores aleatorio: Generalmente son la acumulación de un gran número de errores muy pequeños cuyo origen es difícil de identificar. Estos errores normalmente son de preocupación para mediciones con un alto grado de exactitud. Los errores aleatorios se pueden analizar estadísticamente.

Los errores sistemáticos (y tal vez también los aleatorios) pueden ser clasificados en estáticos y dinámicos.

Errores estáticos: Si el proceso está en condiciones de régimen permanente, el error es estático.

Este error normalmente se origina por las limitaciones de los dispositivos de medición o las leyes físicas que gobiernan su comportamiento.

Errores dinámicos: Siempre que las condiciones sean de cambio continuo existirá un error dinámico que se presentará en retrasos en la medición. Esto está influido por el tipo de acoplamiento, los materiales, el proceso a medir, etc.

ESCALA COMPLETA DE SALIDA

Esto es la diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el máximo estímulo de entrada y el mínimo estímulo de entrada. Esto debe incluir toda desviación de la función de transferencia lineal. En la figura SFS es la escala completa de salida.

EXACTITUD (o inexactitud, ‘accuracy’)

En las especificaciones de un sensor, esto realmente quiere decir falta de exactitud. Esta es la razón de la máxima desviación de un valor representado por el sensor con respecto al valor ideal.

Normalmente este valor se da en %.

EJEMPLO:Un sensor de desplazamiento lineal idealmente debería generar 1mV por 1mm de desplazamiento. Sin embargo, en un experimento, un desplazamiento de 10mm produjo una salida de 10.5 mV. Considerando sólo este valor de mV se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10.5 mm que es 0.5 mm más que la realidad. Esta desviación indica una exactitud (o falte de) de 5%. A el valor de la desviación se le llama error.

PRECISIÓN

Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del SPAN. La precisión de un instrumento indica su capacidad para reproducir cierta lectura con una exactitud dada.

EJEMPLO: Se está midiendo un voltaje conocido de 100V. Se toman 5 lecturas con cierto voltímetro y los valores encontrados son 104, 103, 105, 103, 105. Dadas estas lecturas, cuál es la exactitud y cuál es la precisión del instrumento.

R. Ya que la desviación máxima del instrumento es 5V de la entrada real de 100V, se tiene una exactitud de 5%. La precisión del instrumento la da la desviación máxima de la media de las lecturas, en este caso, ±1%.

ZONA MUERTA (DEAD BAND)

Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna 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

Es el área en la cual el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.

SENSIBILIDAD

Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.

REPETIBILIDAD

Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de medición.

HISTERESIS

Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuara en ambas direcciones. Un error de histéresis es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto específico de la señal de entrada. Cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas

Fig. : Histéresis

EJEMPLO: Un termómetro de 49° C en 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 histerésis es ± 1° C. De la función de transferencia ideal.

CAMPO DE MEDIDA CON SUPRESIÓN DE CERO

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable

CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables

CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables

En el caso de sensores :

Impedancia de salida: Este parámetro toma relevancia cuando se quiere hacer una buena interfase 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: Se refiere a el envejecimiento de los materiales que repercute en un cambio irreversible en las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas o térmicas del sensor.

Algunos sensores se pueden someter a envejecimiento acelerado para mejorar sus características.

Efectos térmicos: Se pueden especificar por bandas de los 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

Limites de operación: de - 40 a 150 ° C.

Error de autocalentamiento: Es especificado cuando una señal de excitación es absorbida por un sensor y su temperatura es afectada de tal manera que afecta su exactitud.

CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

Existen dos formas de clasificar los instrumentos las cuales son:

a.- De acuerdo a su función en el proceso.

b.- De acuerdo a la variable de proceso que miden.

Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera bastante completo.

De acuerdo a su función estos serán:

Instrumentos indicadores: son aquellos que como su nombre bien dice, indican directamente el valor de la variable de proceso. Ejemplos: manómetros, termómetros, etc.

Instrumentos ciegos: son los que cumplen una función reguladora en el proceso, pero no muestran nada directamente. Ejemplos termostatos, presostatos, etc.

Instrumentos registradores: en algunos casos podrá ser necesario un registro histórico de la variable que se estudia en un determinado proceso. en este caso, se usaran instrumentos de este tipo.

Elementos primarios: algunos elementos entran en contacto directo con el fluido o variable de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de este (absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable en cuestión. (placa orificio)

Sensor: 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. Ejemplos: Sensor piezoeléctrico, termopar, galga extensiométrica

Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de proceso en forma de

señales proporcionales a esas variables.

Transductores: son instrumentos fuera de línea (no en contacto con el proceso), que son capaces de realizar operaciones lógicas y/o matemáticas con señales de uno o más transmisores. Paquete manufacturado que produce un voltaje de salida correspondiente a

una variable o estímulo de entrada. Ejemplos: Celdas de carga, acelerómetros, etc.

Convertidores: en ciertos casos, la señal de un transmisor para ser compatible con lo esperado por el receptor de esa señal, en ese caso se utilizara un elemento convertidor para lograr la ante mencionada compatibilidad de señal

Receptores: son los instrumentos que generalmente son instalados en el panel de control, como interfase entre el proceso y el hombre. Estos reciben las señal de los transmisores o de un convertidor.

Controladores: este es uno de los elementos más importante, ya que será el encargado de ejercer la función de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente, en base a la diferencia, envié una

señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.

Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, ejerza un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuertas, etc. De acuerdo a la variable de proceso que miden: Esta clasificación, como su nombre lo indica, se referirá a la variable de proceso que tratemos de medir. En la actualidad, se pueden medir, casi sin excepción, todas las variables de proceso existentes, sin embargo,

algunas se medirán de 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.

En éste se presentan de una forma secuencial los equipos involucrados en el proceso, así como los datos de proceso deseables y las expectativas de los rangos de variación, características más resaltantes de los equipos, sentidos de fluidos y cualquier otro dato de proceso relevante para el diseño de la Ingeniería, no solo de instrumentación, sino más importante aún, para todas las disciplinas.

Ahora bien, el diagrama de flujo informa sobre qué es lo que se espera que el proceso haga y como lo hará, pero en raras ocasiones, se indica en éste los puntos y variables que se desean controlar. Para determinar este punto, se requerirá del consenso de las disciplinas de procesos e instrumentación.

A partir de ese momento, se definirán los puntos de medición, las características de los fluidos de procesos, los rangos de las variables y cuáles variables se desean indicar y/o controlar, y/o

registrar.

Esta parte de la fase inicial de diseño suele ser difícil por muchos factores, tales como: los criterios del proceso que se desea controlar no están claros, en cuyo caso, las experiencias anteriores similares del ingeniero instrumentista puede ser muy valiosas, o como en muchos otros, los datos del proceso pueden no ser accesibles bien sea, que no se pueden estimar con facilidad o en el caso de plantas existentes en expansión, no se dispone de estos datos, por

lo cual habrá que proceder a un levantamiento de campo de esos valores.

TRANSDUCTORES Y SEÑALES DE CAMPO

Transductor es todo dispositivo o elemento que convierte una señal de entrada en una de salida pero de diferente naturaleza física. Normalmente se desea transformar señales de las variables físicas o químicas que deseamos medir, en magnitudes eléctricas que son las que manejamos con más facilidad en instrumentación. La salida del transductor es una función conocida de la magnitud de entrada y la relación entre ambas (magnitud a medir y salida del transductor) puede no ser lineal, aunque se prucura que lo sea para simplificar su tratamiento.

Aunque lo más habitual es que una de las dos formas de energía que intervienen en el proceso de transducción sea eléctrica, no siempre es cierto. Pensemos por ejemplo en los micrófonos ópticos en los que el sonido produce deformaciones en una lámina metálica en la que serefleja un haz luminoso. La señal de salida es una variación en el brillo del haz reflejado que posteriormente será convertida mendiante un fotodetector (que no es más que un transductor

electroóptico) a una señal eléctrica.

La señal eléctrica tal como la proporciona un transductor no es, en general, directamente utilizable por un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador. Por eso suele someterse a estas señales a una serie de procesos típicos. Estos pueden ser entre otros: aislamiento, acoplo de impedancias, cambios de nivel o tipo de la señal, amplificación, filtrado, linealización, cálculos varios (p. ej. ), etc. Estos procesos pueden efectuarse en el propio

transductor, en el sistema de adquisición de datos o en un punto intermedio.

Uno de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de tensión usual en los sistemas de adquisición de datos (0 a 10V); esto puede requerir una atenuación para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles

bajos. Otro es su transformación al rango habitual de corriente en proceso de datos de campo (4 a 20 mA), para poder transmitirlos por cable trenzado a distancia. La transmisión en corriente proporciona una notoria inmunidad al ruido ya que la información no es afectada por caídas de tensión en la línea, impulsos parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación electromagnética, etc.

Desde el punto de vista de las señales que proporcionan estos transductores se pueden clasificar en:

1) Transductores de resistencia variable 2) Transductores de reactancia variable (capacitivos o inductivos) 3) Transductores generadores de carga 4) Transductores generadores de tensión 5) Transductores generadores de corriente 6) Transductores digitales

En esta pequeña lista no están incluidos todos los tipos posibles pero sí los más habituales.

Los dos primeros son de tipo pasivo (no generan señal, sólo la transforman, el resto se consideran activos (sí generan señal). El hecho de que generen una señal no implica necesariamente que deban ser alimentados de forma externa. Como ejemplo tenemos los

transductores piezoeléctricos que generan una tensión entre sus dos extremos, cuando son sometidos a presión o deformación.

Para su introducción en un sistema de instrumentación con osciloscopios digitales o conexión a ordenador, los que generan señal no presentan problemas ya que pueden ser conectados

directamente al ordenador. Hay materiales que permiten variar su resistencia como respuesta a casi cualquier fenómeno físico: temperatura, presión, humedad, etc., por lo que la variedad de este tipo de transductores es inmensa.

            Fig.: La transformación de una variable física en eléctrica

Transductores de resistencia variable

Son muy populares y se utilizan en la medida de numerosas variables, ya que es la salida de aquellos que utilizan potenciómetros lineales de cursor deslizante, galgas extensiométricas, termómetros resistivos (termorresistencias RTD y termistores), magnetorresistencias, resistencias dependientes de la luz (LDR), higrómetros resistivos, etc.

Para obtener una señal de salida se deben tener en cuenta dos fenómenos, el primero es la necesidad de una alimentación eléctrica ya que la resistencia en sí no genera ninguna señal y el segundo es que esta alimentación influye en la salida por el posible autocalentamiento del transductor.

La medida de la resistencia se puede hacer de forma directa, es decir, como una aplicación de la ley de Ohm midiendo la corriente que la atraviesa a una cierta tensión o la tensión que cae en ella a una corriente constante. Pero el método más usado por ser el más preciso y sensible es el que utiliza un puente de Wheatstone. Sobre este tipo de medidas existe una gran bibliografía que se puede encontrar en cualquier texto de instrumentación. Su salida se

realiza a través de un amplificador diferencial que proporciona una señal en tensión, que es la más usada como entrada de un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador personal.

Transductores de reactancia variable (capacitivos o inductivos)

Los transductores capacitivos son muy usados cuando se quiere detectar desplazamientos muy pequeños (hasta 10-9cm.), ya que poseen una gran estabilidad y precisión. También se utilizan para medida de niveles de líquidos conductores o dieléctricos, medida de espesores de dieléctricos, etc. Los transductores inductivos son muy usados ya que se incorporan en muchos equipos que los usan como transformadores de desplazamientos en señales eléctricas. Se suelen dividir en tres grupos principales: los de reluctancia variable, los de corrientes de Foucault y los transformadores diferenciales (LVDT).

La medida en estos transductores se debe realizar en alterna y por lo tanto a continuación, deberá haber un sistema de conversión de alterna a continua, que puede ser de valor eficaz, de valor medio o de pico. La medida propiamente dicha se puede hacer por medio de un divisor de tensión aplicando directamente la ley de Ohm, utilizando un puente de alterna o un oscilador de frecuencia variable. En cualquier caso su paso a tensión continua es necesario para su utilización en un sistema de adquisición de datos por ordenador.

Transductores generadores de carga

En realidad los transductores generadores de carga son generadores de corriente pero en estado de reposo poseen resistencias muy altas y por lo tanto corrientes muy bajas. Son muy usados para medida de radiación, células fotoeléctricas, células de ionización, transductores piezoeléctricos. Su medida depende del transductor y del uso que se desee de la medida. Si se desea una medida continua se utilizan amplificadores, convertidores tensión-corriente o

amplificadores de carga. Pero si se desea analizar los impulsos (número, tensión máxima, etc.) deberán utilizarse amplificadores y analizadores de impulsos.

Transductores generadores de tensión

Estos transductores están bastante extendidos. Destacan los termopares, pHmetros, medidores Redox, etc. Además, numerosos equipos que no generan esta salida directamente del sensor, la presentan en su salida por medio de conversiones electrónicas

internas. La ventaja que presentan es que no necesitan ninguna acción para su introducción en sistemas de adquisición de datos por ordenador salvo quizás, una adaptación de niveles de tensión. Su desventaja es la transmisión a distancia ya que ésta puede ser

afectada por ruidos.

Transductores generadores de corriente

 Existen numerosos transductores que presentan salida en corriente, ya que es la salida más extendida en equipos de instrumentación para la transmisión de señales de campo (4-20 mA), por lo que la transformación en tensión de estas señales es una práctica muy

generalizada, antes de introducirlas en el sistema de adquisición de datos que suele trabajar en tensión. La conversión corriente-tensión se realiza simplemente usando una resistencia de precisión.

Transductores digitales

Estos transductores son muy utilizados en equipos electromecánicos para indicar acciones, por ejemplo finales de carrera, interruptores de diferentes magnitudes, alarmas, etc. Desde el punto de vista de su introducción al ordenador no presentan más problema que la

adaptación de sus niveles de tensión.

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Los sistemas digitales de control se utilizan ampliamente debido a su bajo coste en comparación con los analógicos. Presentan ventajas en cuanto inmunidad al ruido, precisión y facilidad de implementar funciones complejas. El principal inconveniente es que tienen una

respuesta más lenta, aunque para la mayoría de las aplicaciones esto no es un inconveniente. Los sistemas de control de procesos con realimentación computerizada se utilizan en muchas industrias para controlar sus distintos procesos de fabricación. En el mundo físico, las variables son continuas y es preciso transformarlas, amplificarlas y convertirlas a variables digitales para que un sistema digital las pueda procesar. Los sistemas de adquisición de datos realizan todas estas funciones. En otras palabras, los sistemas de adquisición y conversión de datos se usan para procesar señales analógicas y convertirlas en digitales para su posterior procesamiento o análisis mediante computador o en nuestro caso en un ordenador personal. En general, un sistema de adquisición de datos toma una magnitud física tal como presión, temperatura, posición, etc. y la convierte en una tensión o corriente eléctrica que será posteriormente muestreada y cuantificada (digitalizada). Una vez conseguido esto, todo el posterior tratamiento de la señal se realiza por circuitos electrónicos digitales.

En principio tiene lugar un tratamiento electrónico y al terminar éste, la señal se convierte en digital mediante un convertidor o conversor A/D (analógico/digital). Esta salida digital puede ir a diferentes sistemas digitales tales como un ordenador, un controlador digital, un transmisor de datos digital, etc.

Un circuito completo de adquisición de datos se indica en la figura siguiente con todos los componentes fundamentales y sus interconexiones.

Fig. - Esquema general de un sistema de adquisición de datos

La entrada al sistema (el parámetro físico a medir), se convierte en una magnitud eléctrica por el transductor y ésta se lleva a la entrada del amplificador. La misión de éste es preparar la señal de salida del transductor al nivel de tensión necesario (1 a 10V) para atacar al siguiente circuito analógico. Sigue al amplificador un filtro activo paso baja, usado para eliminar los componentes de alta frecuencia o ruido de la señal. En ocasiones se puede necesitar hacer con la señal alguna operación no lineal en cuyo caso ésta se puede hacer antes o después del filtrado.

A continuación, la señal va a un multiplexor analógico en el que cada canal de entrada es conectado secuencialmente a la salida durante un periodo de tiempo especificado. De esta forma los circuitos que siguen al multiplexor son compartidos secuencialmente por un cierto número de señales analógicas.

La salida del multiplexor analógico va a un circuito de muestreo y retención ('sample and hold'), el cual muestrea la salida del multiplexor en un momento determinado y mantiene el nivel de tensión en su salida hasta que el conversor (A/D) realiza la conversión.

Por último, la programación y secuencia de tiempos de la operación se realiza por los circuitos de control que a partir de las salidas digitales de control, procedentes del ordenador personal, controla al multiplexor, 'sample and hold' y conversor A/D.