INSTRUMENTO DE MEDIDA

Dispositivo que me permite conocer el valor de un magnitud física en un determinado momento.

Clases de Instrumentos

Los instrumentos se pueden clasificar según la función que realizan y según la variable de proceso que evaluarán.

Según la función, los instrumentos se agrupan en:

-Instrumentos ciegos: Estos son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.
-Instrumentos Indicadores: Estos disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.

-Instrumentos Registradores: Estos registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20mm./hora.

-Elementos Primarios: Ellos están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.

-Transmisores: Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (3 a 15 psi), eléctrica de corriente continua (4 a 20 mA) o de tensión (0 a 5 V).

-Transductores: Estos reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.

-Convertidores: Estos son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi)o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Este último término es general y no debe aplicarse aun aparato que convierta una señal de instrumentos.

-Receptores: Estos reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.

-Controladores: Estos comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.

-Elemento final de Control: Este recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi(0,2-1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumática 3-15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico. Las señales neumáticas (3-15 psi o 0,2-1 bar o 0,2-1 Kg./cm2) y electrónica (4-20 mA c.c.) permiten el intercambio entre instrumentos de la planta. No ocurre así en los instrumentos de señal de salida digital (transmisores, controladores) donde las señales son propias de cada suministrador.

-Contadores

-Temporizadores

Según la variables de proceso

Instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.

Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de  proceso

. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dínamo. Asimismo, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el caso de un transmisor electrónico de nivel de 4 a 20mA c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad-presión (I/P) que transforma la señal de 4-20 mA c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel.

Tipos de Error

-Error momentáneo: Se define como la no inmediatez entre la entrada y la salida, diferencia de tiempos de las mismas.

-Error Absoluto: Es la diferencia entre el valor de la medida y el valor real tomado como exacto. Puede ser positivo o negativo, según si la medida es superior al valor real o inferior. tiene unidades, las mismas que las de la medida.

-Error Relativo: Es el cociente entre el absoluto y el valor real o exacto. Si se multiplica por 100 se obtiene en porcentaje de error para una mejor interpretación

-Error Estático: Es la diferencia entre las señales de entrada y salida durante el período estacionario o permanente.

-Error Dinámico: Es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error estático.

-Errores Graves: Los errores graves son causados por el hombre, Una mala medición, el no seguimiento de un proceso de medida, etc.

-Errores Sistemáticos: Se dividen en Error instrumental y Error ambiental.

-Error instrumental: Es causado por una mala calibración del instrumento de medida, esto se debe a su uso constante, el paso del tiempo, etc. Afectan el buen funcionamiento del instrumento.

-Error Ambiental: Originado por cambios repentinos del ambiente donde se efectúa la toma de la medida.

-Error Aleatorio: Variable inesperada que afecta bruscamente la medición, generando datos erróneos. 

MEDIR

Si no se mide lo que se hace, no se puede controlar y sino se puede controlar, no se pude dirigir y si no se puede dirigir no se puede mejorar

Significa comparar una cantidad con una medida convencional previa (metro, kilo, etc).

Metrología

Es la ciencia que estudia los aspectos teóricos y prácticos referidos a la medición de todas las magnitudes, como por ejemplo: la longitud, tiempo, masa, etc.

Tipos de metrología

-Metrología Científica: Es la que crea, define y mantiene los patrones del mas alto nivel de las unidades de medida.

-Metrología Industrial: Busca mejorar constantemente los sistemas de mediciones que están relacionados con la producción y la calidad de los productos que serán ofrecidos al público consumidor.

-Metrología Legal: Se ocupa de la protección del consumidor. Verifica que los procesos de medición utilizados en las transacciones comerciales de bienes cumplen con los requerimientos técnicos y legales que garantizan que un correcta cantidad de un determinado producto es entregado a los consumidores. 

Importancia de la Metrología

-A través de la metrología podemos saber en qué consiste y como se usa un sistema de unidades de medida.
-La cantidad de masa o volumen de un producto determinado.
-La distribución de temperatura de diversos hornos de producción.
-Cuales son los instrumentos apropiados para una determinada medición y cual es el procedimiento apropiado para efectuarla.
-Garantizar los resultados en el proceso de fabricación de un producto.
-Homogeniza las unidades de medida en todos los pueblos y países. Por ejemplo un kilo de sal pesado en Brasil debe contener la misma cantidad que un kilo de sal pesado en España, Alemania y cualesquiera parte del mundo.
-Reducir errores.
-Verificar que los instrumentos de medida estén funcionando perfectamente.
-Aumento en la productividad.
-Disminución de costos.


Sistema Internacional de Unidades (SI)

En 1960, la Conferencia General de Pesos y Medidas (C.G.P.M) como autoridad de esa época  adopto el nombre de Sistema Internacional De unidades (SI) para el conjunto de unidades basadas en el sistema métrico. El SI esta hoy en día en uso en mas de 100 países. Está formado por siete unidades básicas, las cuales se en listan a continuación.

Unidades básicas

El (SI) Sistema Internacional de Unidades se fundamenta en las siete unidades básicas. 

Unidades Derivadas

Las unidades derivadas se expresan algebraicamente en términos de las unidades básicas. Sus símbolos se obtienen por medio de los signos matemáticos de multiplicación y división; por ejemplo, la unidad del SI para velocidad es metro por segundo (m/s).

Múltiplos de las unidades del Sistema Internacional

Se usan para formar los nombres y los símbolos de los múltiplos (múltiplos y submúltiplos decimales) de las Unidades del Sistema Internacional.

Ejemplos del uso de los múltiplos y submúltiplos

Factor de conversión

-El factor de conversión es la expresión de una cantidad con sus respectivas unidades. que es usada para convertirla en su equivalente en otras unidades de medida establecidas por dicho factor.

-en cualquier equivalencia de unidades de medida se pueden obtener dos factores de conversión.

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS EN UN SISTEMA DE MEDIDA

El comportamiento de un sensor o instrumento de medida se puede definir mediante su función de transferencia, permitiendo conocer su comportamiento en régimen estático y dinámico.

Características Estáticas

Relación entre la entrada y la salida cuando la entrada es constante o cuando ha transcurrido cierto tiempo y la salida  alcanzado su valor final.

-Curva De Calibración (static transfer function): Relación entre la entrada al sensor   o sistema y su respectiva  salida .

-Campo de medida (range): Límite inferior y superior en donde se puede efectuar  la medida.(un termómetro diseñado para medir entre 0 y 50 grados celcius).

-Alcance, fondo de escala (span, input full scale): diferencia entre los límites superior e inferior.(span: rango de medida que más se utlizará)

-Salida a fondo de escala (full scale output): el fondo de escala es la diferencia entre la salida máxima y la mínima.

-Sensibilidad (sensitivity): Pendiente de la curva de calibración.es aquella capacidad de visualizar en la salida cualquier cambio que halla en la entrada.

-No linealidad (nonlinearity): Es la desviación de la curva de calibración con respecto a la línea recta por la que se ha aproximado.

-Zona muerta (dead zone): Campo de valores de la variable donde no se presenta una variación.

-Histeresis (hysteresis): Es la diferencia de la medida dependiendo del sentido en el que se ha alcanzado (por abajo o por arriba)

-Deriva (drift): Es la variación de algún aspecto de la curva de calibración con respecto a algún parámetro ambiental (temperatura, humedad, etc) siempre que el propio parámetro no sea el de medida. Los parámetros externos pueden hacer que la salida cambie. Desgaste que tiene el equipo con el paso del tiempo

-Saturacion (saturation): Es el nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa.

-Resolución (resolution): Se define como el incremento mínimo de la variable de entrada que ofrece un cambio medible a la salida.

Errores: Exactitud, Veracidad y Precisión.

Un principio de todo sistema de instrumentación electrónica es el de medir una magnitud con el menor error posible.

Error: Resultado arrojado por el sensor o instrumento de medida, que no concuerda con el esperado.

Incertidumbre: Rango donde se pude ubicar la medida, aproximándose por la derecha o por la izquierda del dato esperado.

-Veracidad (trueness): Es el grado de concordancia entre el valor medio obtenido de una gran serie de resultados y el valor verdadero o el aceptado como referencia.

-Precisión (precision): Grado de concordancia entre los resultados (variabilidad entre mediciones repetidas).

-Exactitud (accuracy): Este término se emplea para referirse conjuntamente a la veracidad y a la precisión, es decir, a la correspondencia de los resultados entre si, y ademas, al valor verdadero.

A continuación factores que ocasionan la presencia de errores en los instrumentos de medida:

-El operador que realiza la medida.

-Los equipos.

-La calibración de los equipos.

-El ambiente (temperatura, humedad, presión, etc.).

-El intervalo temporal entre las medidas.

Propagación de Errores

La calibración de un sistema de medida consiste en establecer, con la mayor exactitud posible, la correspondencia entre las indicaciones de un instrumento de medida y los valores de la magnitud que se mide con él. La curva de calibración varía con el paso del tiempo y el uso que se haga del instrumento de medida.

Calibración: Grado de concordancia entre lo medido y lo esperado.

Ajuste: Reparar el instrumento de medida.

Tipos de calibración

-Calibración a punto: Consiste en actuar sobre el sistema de medida de forma que para un punto concreto la salida sea lo mas exacta posible, (en la mayoría de los casos suele ajustarse sobre el valor cero.

-Calibración del cero y de la sensibilidad: Para ajustar perfectamente una curva de calibración lineal se necesitarían ajustar dos puntos, en primera parte el cero y, a continuación la ganancia.

-Repetibilidad: Se esta garantizando las mismas condiciones para realizar varias veces la medida de una magnitud.

-Reproducibilidad: Cuando se a modificado alguna de las condiciones para medir la magnitud.

Características Dinámicas

-Función de transferencia: Cualquier sistema físico puede ser representado como un conjunto de entradas y salidas. Ante una excitación en la entrada existirá una reacción de la salida.

El bloque anterior nos sintetiza el concepto general de una función de transferencia. La no inmediatez del cualquier sistema, nos genera un tipo de error que se conoce como Error momentáneo, este error se define como la tiempo que transcurre entre una entrada y su respectiva salida .

En el gráfico anterior (respuesta de segundo orden) se observa como ante una entrada escalón unitario, el sistema a la salida tarda un tiempo en igualar la entrada, este tiempo que transcurre hasta la salida hacer uno, se denomina error momentáneo.  


Caracterización de la función de transferencia

Para hallar la función de transferencia de un sistema existen varias posibilidades, aunque ninguna de ellas resulte simple en la mayoría de los casos:

-Modelo Teórico: Relacionar teóricamente las variables del sistema, su linealización entorno a un punto de funcionamiento y la aplicación de la transformada de fourier o laplace. Este modelo sacrifica la exactitud del sistema.
-Modelo empírico: Consiste en someter al sistema a determinadas excitaciones en la entrada y observar su salida, que muestra una buena parte del comportamiento del sistema.

Caracterización del comportamiento del sistema:  

-La Distorsión de Amplitud: Efecto que se produce debido a cambios en la amplificación de cada una de las componentes, entrada y salida.
-Adición de otras señales no presentes en la entrada  que se origina por un comportamiento no lineal del sistema. Este efecto se suele cuantificar mediante un parámetro globalizador como es la distorsión armónica total. La distorsión armónica total se define como el cociente de la potencia de todos las frecuencias superiores a la fundamental y la fundamental.
-La Distorsión de la Fase: Es el cambio introducido en la ase de cada una de las componentes del espectro de entrada cuando atraviesan el sistema.


Evaluación de la Respuesta Dinámica

La respuesta de un sistema puede analizarse el en dominio de la  frecuencia o el dominio  tiempo. Conocer el comportamiento de un sistema ante una cambio brusco en su entrada (señal escalón) permite conocer todos los cambio dinámicos propios del sistema, la rapidez de la salida ante un cambio repentino en la entrada. 

Posibles Respuestas de un sistema ante una entrada escalón

como se puede observar en las gráficas anteriores la salida iguala la entrada después de cierto tiempo (transitorio).

Clasificación de los sistemas ante una entrada escalón:

Sistemas de primer orden

-Un sistema de primer orden es aquel que tiene un solo polo.

-Su función de transferencia es de la siguiente forma.

-Su diagrama de bloques es de la forma.

-Si realizamos la transformada inversa de laplace de la función de transferencia tenemos que:

 Por lo tanto, el parámetro dinámico que define un sistema de primer orden es la constante de tiempo (T), este nos indica que tanto tarda la salida en igualar la entrada. Pero, se pueden definir otros parámetros que también permiten caracterizar lo rápido que resulta un sistema de primer orden.

-Tiempo de subida (rise time, tr): Definido como el tiempo que transcurre entre que el sistema alcanza el 10% y el 90% del valor final.

-Tiempo de establecimiento (settling time, ts): Tiempo que tarda el sistema en alcanzar un parámetro establecido.

En la gráfica se puede observar el ts y tr de un sistema.

Sistemas de segundo orden

En sistemas de segundo orden la respuesta ante una entrada en escalón no tiene un aspecto único, sino que pueden presentarse tres casos diferentes según la inercia y la amortiguación que presente el sistema. Tenemos:

-Sistemas sobreamortiguados: Sistemas lentos cuya respuesta es similar a la de un sistema de primer orden.

-Sistemas Subamortiguados: sistemas rápidos que presentan oscilaciones por encima del valor final.

-Sistemas con amortiguamiento critico: Que están en el limite entre los dos comportamientos anteriores, mas rápidos que los primeros pero con un aspecto de respuesta muy parecido.

A

l

L

 

-