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INSTRUMENTACIÓN
ELECTRÓNICA.
Instrumentación y Medición
Bucaramanga, Febrero15 de 2006
Universidad Industrial de Santander
José Amaya Palacio. [email protected]
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INTRODUCCIÓN
Los instrumentos de control están universalmente aceptados. Hoy en día es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos .
En la industria, la ciencia, la medicina, etc, se presenta, pues, repetidamente la necesidad de conocer y entender el funcionamiento de los instrumentos y el papel que juegan
dentro del control de procesos. Para la Conceptualización de esta importante área del conocimiento se examinarán primero los términos que definen
a los instrumentos y un código para su identificación, seguidamente los tipos de transmisores y un estudio de lasvariables medidas y controladas en diferentes procesos, así como de los elementos de control y el control automático.
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INTRODUCCIÓN
Se pretende en la etapa de Conceptualización involucrar también una descripción de la evolución que ha idoexperimentando la instrumentación en los últimos años,
análisis de los errores en los instrumentos y como es deesperarse de las aplicaciones.
Algunas novedades incorporadas en la industria fueron el
perfeccionamiento del control distribuido , aparecidoinicialmente en 1975 , la aparición del transmisor inteligente1983, y el transmisor inteligente digital 1986, la aplicación masiva del microprocesador en todos los campos, con las
espectaculares mejoras en los instrumentos de medición y control que de una precisión en la variable medida clásica de±0.5% han pasado a ±0.1% y el perfeccionamiento del control avanzado , del control por redes neuronales y del control porlógica difusa.
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INTRODUCCIÓN
El esfuerzo por realizar la etapa de fundamentación se justifica en el hecho de que a pesar de la aplicación masiva el microprocesador en el campo del control de procesos
industriales, lo realmente importante a la vista de los avances tan espectaculares con que evoluciona exponencialmente la técnica, es la comprensión del funcionamiento e interrelación
de los instrumentos de medición y control. Por esto se pretende adentrarse en el funcionamiento básico de losinstrumentos neumáticos y electrónicos y partir de esta base
para el estudio del avance desarrollado en torno a este campo.
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1. DEFINICIONES BÁSICAS
Los instrumentos de control empleados en la industria de procesos tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc. , tienen su propia
terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las dinámicas y estáticas de los diversos instrumentos utilizados:- Indicadores, Registradores,Controladores, Transmisores y válvulas de control.
La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades queintervienen directa o indirectamente en el campo de la
instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA ( Scientificic Apparatus Makers Association ) en su norma PMC 20-2-1970 . Se representan en la Figura 1.
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1. DEFINICIONES BÁSICAS
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1. DEFINICIONES BÁSICAS
1. CAMPO DE MEDIDA (RANGE)
Espectro o conjunto de valores de la variable medida que
están comprendidos dentro de los límites superior e inferior dela Capacidad de medida o de transmisión del instrumento;viene expresado estableciendo los dos valores extremos.
2. ALCANCE (SPAN) Es la diferencia algebraica entre los valores superior einferior del campo de medida del instrumento.
3. ERROR
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido
por el instrumento y el valor real de la variable medida.
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1. DEFINICIONES BÁSICAS
4. INCERTIDUMBRE EN LA MEDIDA (UNCERTAINTY) Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuídos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. En
el cálculo de la incertidumbre intervienen la distribuciónestadística de los resultados de series de mediciones, las características de los equipos, etc.
5. EXACTITUD Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud.
6. PRECISIÓN (ACCURACY) Es la tolerancia de la medida o de transmisión del instrumento(intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de la
medida), y define los límites de los errores cometidos cuando
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1. DEFINICIONES BÁSICAS
el Instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un periodo de tiempo determinado (normalmente 1 año).
7. ZONA MUERTA (DEAD ZONE O DEAD BAND)
Es el campo de valores de la variable que no hace variar laindicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que
no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de de la medida.
8. SENSIBILIDAD (SENSITIVITY).
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzadoel estado de reposo.
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INTRODUCCIÓN
9. REPETIBILIDAD (REPEATIBILITY)
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma
o del índice o de la señal de salida, 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.
10. HISTÉRESIS (HYSTERESIS)
Es la diferencia máxima que se observa en los valores
indicados por el índice o pluma del instrumento para el mismovalor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y
descendente.
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INTRODUCCIÓN
ELEMENTOS PRIMARIOS: Contacto con la variable.
TRANSMISORES: Captar y transmitir a distancia.
TRANSDUCTORES: Transforman variable de entrada.CONVERTIDORES: Convierte señales. General.
RECEPTORES: Recibir y registrar.CONTROLADORES: Comparan con valor prefijado.
ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Modifica el agente de control.
RANGEABILIDAD: Es el cociente entre valor de medida
superior e inferior de un instrumento.
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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TRANSMISOR DE PRESIÓN TRANSMISOR DE PRESIÓN
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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MANÓMETROTRANSMISOR DE PRESIÓN
DIFERENCIAL
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
SWITCH DE PRESIÓN
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
PLATINA DE ORIFICIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
VÁLVULA SOLENOIDE
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
SENSOR DE TEMPERATURA
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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CELDA DE CARGA
S
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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CELDA DE CARGA
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
RTD´s
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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STRAIN GAUGE
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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TRANSMISOR DE PRESIÓN
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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STRAIN GAUGE
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
STRAIN GAUGE
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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CONTROLADOR UNIVERSAL UDC-3000
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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DISPLAY LCD
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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PLATINA DEORIFICIO
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
PLATINA DEORIFICIO
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
PLATINA DEORIFICIO
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
PLATINA DEORIFICIO
EQUIPOS DEL LABORATORIO
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EQUIPOS DEL LABORATORIO
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TUBERÍA DE PRESIÓN
TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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NSM SO S
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
TRANSMISORES
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GOBERNADOR MECANICO
COMPLEJIDAD DE
LA SOLUCION
MECANICA ELECTRICA
ANALOGICA
ELECTRICA
DIGITAL
MECANICA ELECTRICA
ANALOGICA
ELECTRICA
DIGITAL
COMPLEJIDAD DE
DEL PROBLEMA DE
CONTROL
TRANSMISORES
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GOBERNADOR MECANICO
TIPOS DE GOBERNADORES
MecánicoMecánico / Hidráulico
Mecánico / Neumático
Electrónico / Hidráulico
GOBERNACIÓN ELECTRÓNICA
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TRI-SEN TS310
ENTERCLEAR
STOP
START
F 1
F 2
F3
7
5
21
64
98
3
.0
8.8.8.8.8.8.8.8. ^ ^ ^ ^
M 306Servocontrol
Extracción
M 306Servocontrol
Admisión
RPM
Transmisor
Extracción
Transmisor
de Vacío
Pickups
V a p o r # 1 6 5
E x h o s t o
Transmisor
Admisión
Transmisor
Aceite Gob.
TURBINATURBINA GENERADORGENERADOR
V a p o r # 4 0 0
M
CTsTMw
PTs
Transductor
de Megavatios
8.8.8.
Indic. Vacio
en Tablero
MCC480 v
Aj. Man.
Aj. Auto
Aj. P.F
PPT2400 / 160 V
A.C
D.C
H P U
UPS De Generadorde Emergencia
120 V AC
1 2 3 4 5 6 7
PSNo. 1Fuente 24 V
PSNo. 1Fuente 24 V
A Transmisoresde Presión
A Panel Alarmas yRegist. De Vapor
A Transductor de MwA Tacometro Local
TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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ERROR
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Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de lavariable medida. Si el proceso está en condiciones de
régimen permanente existe el llamado error estático . En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los procesos físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia
requiere tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato.
ERROR
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Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la mediciónestará constituido por los errores inherentes a cadauno de los instrumentos.
Si el límite del error relativo de cada instrumento es:± a , ± b , ± c , ± d , etc., el máximo error posible en la
medición será la suma de los valores anteriores, es
decir: ±(a+b+c+d...).
ERROR
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Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como
error total de una medición la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos:
Κ ++++±=2222 d c b ae
INCERTIDUMBRE
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Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
Cuando se dispone de una sola medida laincertidumbre es:
σ⋅=
K i Donde: K es un factor que depende del nivel de confianza. (K=2 para 95%).
σ es la desviación típica del instrumento indicada porel fabricante.
EXACTITUD Y PRECISIÓN
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Exactitud se refiere al grado de aproximación o conformidad al valor real de la cantidad medida. Precisión es el grado de concordancia dentro de un grupo de mediciones o instrumentos.
La precisión se compone de dos características:
conformidad y el número de cifras significativas conlas cuales se puede realizar la medición. El error
creado por las limitaciones de la escala es un error de
precisión.
cifras significativas:
EXACTITUD Y PRECISIÓN
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cifras significativas:Una indicación de lo preciso de las mediciones se obtiene a partir del número de cifras significativas con las cuales se expresan los resultados. Estas cifras proporcionan información real relativa a la magnitud y precisión de las mediciones de una cantidad.
68 Ω significa que está más cerca de 68 Ω que de 67 Ω ó de 69Ω.
68,0 Ω significa que se está más cerca de 68,0 Ω que de 67,9Ω ó de 68,1 Ω ..
Población de 380 000 habitantes. (dos cifras significativas) Los ceros a la izquierda del punto decimal causanincertidumbre, aspecto que se resuelve con la notación
científica.
EXACTITUD Y PRECISIÓN
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cifras significativas:Cuando se suman dos o más mediciones con diferentes grados de exactitud, el resultado es tan exacto según lo sea la
medición menos exacta.
R1=18,7 Ω (tres cifras significativas) y R 2=3,624 Ω(cuatro cifras significativas)
R1+R 2=22,3 Ω .
El número de cifras significativas en una multiplicación se
pueden incrementar rápidamente, pero sólo las cifras apropiadas se presentan en la respuesta.
TIPOS DE ERROR
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Los errores (en la medición) pueden provenir de diferentes fuentes y por lo general se clasifican en tres grandes grupos:
1. Errores Gruesos: Son en gran parte de origen humano,
como mala lectura de los instrumentos, ajuste incorrecto y aplicación inapropiada, así como equivocaciones en los cálculos.
2. Errores sistemáticos: se deben a fallas de los instrumentos, como partes defectuosas o gastadas, y efectos ambientales sobre el equipo del usuario.
3. Errores Aleatorios: ocurren por causas que no se puedanestablecer directamente debido a variaciones aleatorias enlos parámetros o en los sistemas de medición.
ERRORES GRAVES
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Se deben principalmente a fallas humanas en lalectura o en la utilización de los instrumentos, así
como en el registro y cálculo de los resultados de las
mediciones.
Uso inapropiado del instrumento. Conexión de un
voltmetro bién calibrado a una resistencia de elevadovalor.
Tomar múltiples lecturas.
ERRORES SISTEMÁTICOS
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Por lo general se dividen en dos categorías:1). Errores instrumentales
Son inherentes a los instrumentos a causa de suestructura física.
Seleccionar adecuadamente el instrumento, aplicar factores de corrección y calibrar con un instrumento patrón.
2). Errores ambientalesCondiciones externas que afectan la operación.Temperatura, humedad, presión, interferencias, etc.
ERRORES SISTEMÁTICOS
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Los errores sistemáticos también se pueden subdividir en estáticos o dinámicos.
Estáticos: se originan por las limitaciones de los dispositivos de medición o las leyes físicas que gobiernan su comportamiento.
Dinámicos: Se producen cuando el instrumento no responde con suficiente rapidez a los cambios de la
variable medida.
ERRORES ALEATORIOS
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Se deben a causas desconocidas y ocurren incluso cuando todos los errores sistemáticos se han considerado.
Aunque el instrumento es operado en condiciones ambientales ideales y se calibró antes de la medición,
las lecturas varían ligeramente durante el periodo de observación.
Incrementar el número de lecturas y usar mediosestadísticos para obtener la mejor aproximación al valor real de la cantidad medida.
ANÁLISIS ESTADÍSTICO
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Es una práctica común ya que permite obtener una determinación analítica de la incertidumbre del resultado final. Se necesita un gran número de
mediciones. Los errores sistemáticos deben ser pequeños en comparación con los errores residuales o errores aleatorios, ya que el tratamiento estadístico de datos no puede eliminar tendencias fijas contenidas en las mediciones.
MEDIA, DESVIACIÓN, DESVIACIÓ ESTÁNDAR, VARIANZA.
ANÁLISIS ESTADÍSTICO
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MEDIA ARITMÉTICA:
DESVIACIÓN DE LA MEDIA:
DESVIACIÓN PROMEDIO:
DESVIACIÓN ESTÁNDAR: VARIANZA.
n x x x x x
x nΛ++++=
4321
x x d x x d x x d n n −=−=−= ;; 2211
n
d d d d d D nΛ++++
=4321
1
22
4
2
3
2
2
2
1
−
++++=
n
d d d d d nΛσ
ANÁLISIS ESTADÍSTICO
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VARIANZA: La varianza es una cantidad conocida de gran
utilidad en la realización de muchos cálculos, ya quelas varianzas son aditivas.
La desviación estándar tiene la ventaja de tener las mismas unidades que la variable, lo que facilita la comparación de magnitudes.
La mayoría de resultados científicos se expresan en términos de desviación estándar.
2σ=V
PROBABILIDAD DE ERRORES
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Distribución normal de los errores: El resultado de una serie de mediciones puede ser presentado gráficamente como diagrama de bloques o histograma.
La ley normal o gaussiana constituye la base del estudio analítico de los efectos aleatorios.
a).Todas las observaciones incluyen pequeños efectos de distorsión, llamados errores aleatorios.
b).Los errores aleatorios pueden ser positivos o negativos.
c). Hay igual probabilidad de errores aleatorios positivos o negativos.
PROBABILIDAD DE ERRORES
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Distribución normal de los errores: Error probable: El área bajo la curva de probabilidad de Gauss, entre los límites -∞ y +∞ , representa el número entero de observaciones; el área bajo la curva entre los límites -σ y +σ , representa los casosen que se difiere de la media por no más que la
desviación estándar. Para datos distribuidos normalmente, y según la distribución de Gauss, alrededor del 68% de todos los casos queda entre los
límites de -σ y +σ de la media. Error probable r=±0,6745 σ
PROBABILIDAD DE ERRORES
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Distribución normal de los errores: Error probable: r=±0,6745σ
Este valor es probable en cuanto que hay igual probabilidad de que alguna observación tenga unerror aleatorio no mayor que ± r. El error probable
fue utilizado en trabajos experimentales, sinembargo, actualmente se prefiere la desviación
estándar en trabajos estadísticos.
PROBABILIDAD DE ERRORES
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Errores Límite: En la mayoría de los instrumentos de indicación, laexactitud está garantizada por un cierto porcentaje
de la lectura en plena escala. Los componentes de un circuito (C, R, L , etc) están garantizados dentro de cierto porcentaje de su valor nominal.
Los límites de las desviaciones de valoresespecificados se conocen como errores límite o
errores de garantía .Se aconseja hacer mediciones tan cercanas a la
deflexión total como sea posible.
TÉCNICAS Y APARATOS DE MEDIDA
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Errores y clases de los aparatos de medida: Los valores de la magnitud medida son distintos del valor real de dicha magnitud. Estos errores se
pueden cuantificar de manera absoluta o relativa.
Error Absoluto: El error absoluto F a , es la diferencia
entre el valor indicado, Ai , por el aparato de medida yel valor real, A r , de la magnitud medida.
Error Relativo: El error relativo F r , es el cociente entreel error absoluto, F a , y el valor máximo, A max , de la
escala del aparato de medida.
ri a A A F −=
TÉCNICAS Y APARATOS DE MEDIDA
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Errores y clases de los aparatos de medida: Error Relativo:
También se especifica en porcentaje:
Se utiliza en aparatos de medida que tienen la escalauniforme.
maxmax A A A
A F
F ri a r
−==
100max
% ⋅
−
= A A A
F ri r
TÉCNICAS Y APARATOS DE MEDIDA
Tipos de escalas
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Tipos de escalas
TÉCNICAS Y APARATOS DE MEDIDA
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Cuando el aparato de medida tiene el cero en laescala:
Cuando la escala del aparato de medida recoge una
porción de la magnitud a medir:
Los errores relativos obtenidos con las expresiones
anteriores se utilizan para clasificar los instrumentosen clases de precisión.
1002max1max
% ⋅−
−=
A A A A
F ri r
100minmax
% ⋅
−
−=
A A
A A F ri
r
TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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TRANSMISORES
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ERRORES LÍMITE
E i d
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Exactitud
ERRORES LÍMITE
E tit d
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Exactitud
SISTEMAS DE UNIDADES
E tit d
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Exactitud
SISTEMA INTERNACIONAL DEUNIDADES
E tit d
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Exactitud
EJERCICIO
En un volt metro con sensibilidad de 1 000 /V se
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En un volt-metro con sensibilidad de 1 000 Ω /V selee 100 V en la escala de 0-150 V conectado a través de una resistencia desconocida en serie con un mili-
ampére-metro. Cuando el mili-ampére-metro indica 5mA , calcúlese:
a). El valor de la resistencia aparente desconocida. b). El valor real de la resistencia desconocida.
c). El error debido al efecto de carga del volt-metro.
1. REFLEXIONES
• ¿Q é s t a sd t ?
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• ¿Qué es un transductor?
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Un transductor es