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: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de
los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de
energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la
industria textil, etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario
controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el
caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad,
el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el
mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas
que las que el propio operador podría realizar.
En los inicios de la era industrial, el operario
llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando sólo
instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control
que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la
gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su
automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control.
Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación
física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única
de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en
el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los
instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones
estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían
imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control
manual.
Los procesos industriales a controlar pueden
dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos
discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables
(presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo,
bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada,
o bien guardando una relación determinada con otra variable.
El sistema de control que permite este
mantenimiento de las variables 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 que el operario
intervenga en absoluto.
El sistema de control exige pues, para que esta
comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad
de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio
proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre
de bucle de control. El bucle puede ser abierto, tal como se ilustra en la
figura 1, un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque
mediante una resistencia eléctrica sumergida. El bucle puede ser cerrado, un
bucle cerrado representativo lo constituye la regulación de temperatura en un
intercambiador de calor, tal como se muestra en la figura 2.
Figura 1. Bucle abierto de regulación
Figura 2. Bucle cerrado de regulación
En ambos casos se observa que existen elementos definidos
como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el
registrador y el elemento final. Estos elementos y otros adicionales se
estudiarán en el resto del capítulo, considerando las características propias
del instrumento y las clases de instrumentos que se emplean en los procesos
industriales.
2 Error del instrumento
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o
transmitido por el instrumento y el valor real de la variable 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 sistemas físicos:
absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para
ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre
que las condiciones sean dinámicas, existirá en mayor o menor grado el llamado
error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el
indicado por el instrumento): su valor
depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario
(termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina, pozo,
casquillo), etc. El error medio del instrumento es la media aritmética de los
errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores
crecientes y decrecientes de la variable medida.
3 Alcance (span)
Es la 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.
Figura 3. Definiciones de los instrumentos
4 Incertidumbre de la medida (uncertainty)
Son los errores que existen necesariamente al realizar la
medida de una magnitud, los cuales dan valores inciertos (casuales o
sistemáticos), la incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser
atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
5 Repetibilidad (repeteability)
La repetibilidad es la 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 (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del
alcance; un valor representativo es el de ± 0,1 %. Nótese que el término
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 el instrumento
se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias formas para expresar
la precisión:
a) Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en el instrumento
de la figura 3, para una lectura de 150 °C y una precisión de ± 0,5 % el valor
real de la temperatura estará comprendido entre 150 ± 0,5 X 200/100 = 150 ± 1,
es decir, entre 149 y 151 °C;
b) Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo:
Precisión de ± 1°C;
c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo:
Precisión de ± 1 % de 150 °C, es decir ± 1,5 °C;
d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida.
Ejemplo: Precisión de ±: 0,5 % de 300 °C = ± 1,5 °C;
e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si
la longitud de la escala del instrumento de la figura 4.3 es de 150 mm., la
precisión de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm. en la escala.
La precisión varía en cada punto del campo de medida si
bien, el fabricante la especifica en todo el margen del instrumento indicando a
veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manómetro puede
tener una precisión de ± 1 % en toda la escala y de ± 0,5 % en la zona central.
Cuando se desea obtener la máxima precisión del instrumento
en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este
punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por
ejemplo: un termómetro de 0~150 °C y de ± 1 % de precisión situado en un baño
de temperatura constante a 80 °C, puede ser calibrado a este valor, de modo que
su precisión en este punto de trabajo será la máxima que se pueda obtener con
un termómetro patrón. Es obvio que para los valores restantes, en particular
los correspondientes a los extremos de la escala, la precisión se apartará de ±
1 %.
Hay que señalar que los valores de precisión de un
instrumento se consideran en general establecidos para el usuario, es decir,
son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo,
estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fábrica y
de inspección. Por ejemplo, un instrumento que en fábrica tiene una precisión
de calibración de ± 0,8 %, en inspección le corresponde ± 0,9 % y la dada al
usuario es ± 1 %.
Con ello se pretende tener un margen de seguridad para
compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que
efectúan la calibración, las diferentes precisiones de los instrumentos de
medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del
instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento,
etc.
7 Fiabilidad
Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe
comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo de un tiempo
determinado y bajo condiciones especificadas. De esta forma, si el rendimiento
especificado proporciona una lectura de un 2% cuando se realiza una medida,
entonces el instrumento proporcionará este nivel de exactitud siempre que se
utilice la misma medida.
8 Reproducibilidad o estabilidad
Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas
repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable
medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a
lo largo de un período de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor
representativo sería ± 0,2 % del alcance de la lectura o señal de salida a lo
largo de un período de 30 días.
9 Sensibilidad (sensitivity)
Es la razón entre el incremento de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el
estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si
la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 3 es de ± 0,05 % su
valor será de 0,05 X 200/100 = ± 0,1 °C.
Hay que señalar que no debe confundirse la sensibilidad con
el término de zona muerta; son definiciones básicamente distintas que antes era
fácil confundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era «valor
mínimo en que se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en
el índice o en la pluma de registro del instrumento».
Sensibilidad = Cambio
en la cantidad que se esta midiendo /
Cambio
en la lectura de la escala del instrumento
10 Resolución o discriminación
Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida
(expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando
continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el
instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad.
11 Campo de medida (range)
Espectro o conjunto de valores de la variable medida que
están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de
medida o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos
valores extremos. Por ejemplo: el campo de medida del instrumento de
temperatura de la figura 3 es de 100-300 °C.
12 Espacio muerto o banda muerta (dead zone o dead band)
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la
indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su
respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por
ejemplo: en el instrumento de la figura 4.3 es de ± 0,1 %, es decir, de 0,1 X
200/100 = ± 0,2 °C.
13 Umbral
Cuando la magnitud objeto de medida aumenta gradualmente
partiendo de cero, es posible que tenga que alcanzar un nivel mínimo antes de
que el instrumento responda y proporcione una lectura perceptible.
14 Desplazamiento del cero
Ocurre cuando la medida cero no coincide con el cero de la
escala, lo normal es que sin sensar ninguna variable, se debe leer cero del
instrumento. Este problema puede cambiar con el tiempo.
De esta forma, por ejemplo, un medidor que tenga un día su
aguja en la marca cero, un mes más tarde puede indicar una lectura menor que
cero a pesar de que no ha sido utilizado para realizar ninguna medida.
15 Demora
Cuando la magnitud que está siendo medida cambia, puede
transcurrir un cierto tiempo, llamado tiempo de respuesta, antes de que el
instrumento de medida responda a dicho cambio.
16 Histéresis (Hysteresis)
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los
valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor
cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en
los dos sentidos, ascendente y descendente.
Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por
ejemplo, si en el instrumento de la figura 3 c es de ± 0,3 % su valor será de ±
0,3 % de 200 °C = ± 0,6 °C. En la figura 3 c pueden verse las curvas de
histéresis que están dibujadas exageradamente para apreciar bien su forma. Hay
que señalar que el término zona muerta está incluido dentro de la histéresis.
17 Función de transferencia
Es la relación matemática, gráfica o tabular entre las
expresiones función de tiempo de las señales de salida y de entrada a un
sistema o elemento. Equivale también al cociente de las transformadas de
Laplace de las funciones de respuesta y de excitación.
18 Calibración
Es el proceso de colocar marcas en un visualizador o
comprobar un sistema de medidas según unos estándares, cuando el transductor se
encuentra en un medio definido.
19 Deriva
Es una variación en la señal de salida que se presenta en un
período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable
medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de
cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida
atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en
la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la
temperatura). La deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de
salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por
intervalo de variación de la temperatura. Por ejemplo, la deriva térmica de
cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue
de 0,2 % del alcance.
20 Temperatura de servicio
Es el campo de temperatura en el cual se espera que trabaje
el instrumento dentro de los límites de error especificados.
21 Vida útil de servicio
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