Introducción

La optimización del proceso convierte al instrumento en un conjunto de herramientas para la medición, conversión o transmisión de variables. Considerando que el instrumento se utiliza en las operaciones de la planta, dichas variables pueden ser variables químicas o físicas necesarias para la puesta en marcha, desarrollo y control de varias etapas que involucran reservorios.

 

Todos los instrumentos tienen la particularidad de comprender lo que sucede en un proceso específico, por otro lado, los instrumentos liberan al operador de las operaciones manuales que realiza en el proceso industrial. La instrumentación y el control es una especialidad de la ingeniería, que combina diferentes ramas, que incluyen: sistema de control, automatización, cálculo, etc.

Instrumentos de Medida

La instrumentación es el conjunto de ciencias y tecnologías mediante las cuales se miden cantidades físicas o químicas con el objetivo de obtener información para su archivo, evaluación o actuación sobre los sistemas de control automático.


Un instrumento de medición es un dispositivo que se utiliza para medir cantidades físicas de varios fenómenos. Los objetos y eventos previamente establecidos como patrones se utilizan como unidades de medida, y los números se derivan de las medidas, que es la relación entre el objeto de investigación y la unidad de referencia. 

Sensor

Es un dispositivo que, al partir de la energía del medio en el que se mide, proporciona una señal de salida transducidle que es función de la magnitud que se pretende medir. Ayuda a detectar y señalar una condición de cambio. Con frecuencia, una condición de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material. También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color.


 

Un sensor, es también llamado entrada, es un dispositivo que puede detectar acciones o estímulos externos y responder en consecuencia. En otras palabras, nos permiten capturar información del entorno físico que nos rodea. 

 

Transmisor

Un transmisor es un instrumento que captura variables de proceso y las transmite de forma remota a un instrumento o receptor (indicador, registrador, controlador o una combinación de ellos). Este equipo emite una señal, código o mensaje a través de un medio que está conectado al sensor mediante conductores eléctricos.


Existen varios tipos de transmisores: 

  • Neumático.
  • Electrónico.
  • Digital.
  • Hidráulico.

Señal Digital 

Un procesador de señales digitales (DSP) recibe señales reales que han sido digitalizadas, como voz, audio, video, temperatura, presión o posición, y luego realiza un procesamiento matemático en ellas. El DSP está diseñado para realizar funciones matemáticas como suma, resta, multiplicación y división muy rápidamente.


La señal digital debe procesarse para que la información que contiene se pueda ver, analizar o convertir en otra señal que pueda ser útil. En el mundo real, los productos analógicos detectarán y procesarán señales como sonido, luz, temperatura o presión.

Señal Análoga

Una señal analógica es una señal generada por un determinado fenómeno electromagnético, que puede representarse mediante una función matemática continua, en la que la amplitud y el período (que representan datos de información) cambian con el tiempo. Algunas magnitudes físicas que generalmente transportan tales señales son eléctricas, como fuerza, voltaje y potencia, pero también pueden ser hidráulicas, como presión, temperatura térmica (como temperatura), mecánicas, etc.


Características de las señales analógicas

  • Se pueden procesar directamente y en tiempo real.
  • Consumen menos ancho de banda que las señales digitales.
  • Cuentan con 2 parámetros, amplitud y frecuencia.
  • Se transmiten sin depender del contenido de la información.
  • Son señales de alta densidad.

 

Controlador

Es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base a esta operación calcula un error, para luego actuar con el fin de corregir el error entonces la función del controlador es mantener la variable controlada dentro de los criterios previamente establecidos. Lo que debemos de tomar en cuenta al momento de elegir un controlador es:

 

Actuador (elemento final)

Es un dispositivo mecánico inherente cuya función es proporcionar la fuerza para mover o "accionar" otro dispositivo mecánico. La fuerza generada por el actuador proviene de tres posibles fuentes: 


  • Presión de aire.
  • Presión hidráulica.
  • Fuerza electromotriz (motor o solenoide).

Dependiendo de la fuente de la fuerza, el actuador se denomina:

  • Neumático.
  • Hidráulico. 
  • Eléctrico.

Exactitud


Es la capacidad de un instrumento de medición de dar indicaciones que se aproximen al valor verdadero de la magnitud medida.

Se entiende por exactitud que el valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativo en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser a cero.


La exactitud es la proximidad de un valor medido al valor real, y la precisión es la proximidad de múltiples valores medidos en un punto. Estas diferencias son fundamentales para la metrología, la ciencia y la ingeniería. En este sentido, exactitud y precisión tienen significados diferentes cuando se trata de resultados de medición, ya sean cuantitativos o cualitativos.

Precisión


Es el valor mínimo que se puede medir con precisión con el instrumento de medición. La precisión de los instrumentos de medición de longitud se representa por medio del valor mínimo de la magnitud que es capaz de determinar.

Es la capacidad que tiene un instrumento de medida para determinar un valor cercano al valor real de la magnitud que se está midiendo, significando que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.


Es el grado de concordancia de dos o más lecturas de la medida de una misma cantidad, sea o no la cantidad exacta. Indica el grado de dispersión de las lecturas y es sinónimo de repetibilidad. Es por tanto la consistencia con la cual el sensor de un instrumento mide el mismo valor bajo las mismas condiciones de operación en un determinado periodo de tiempo. Se expresa siempre en una misma dirección (+ o -). La precisión representa la cercanía de los valores medidos entre sí.

Incertidumbre

Es un parámetro relacionado con el resultado de la medición y caracteriza la dispersión del valor que puede atribuirse razonablemente al valor a medir. El valor de incertidumbre incluye el componente de la influencia del sistema en la medición, que se debe al componente calculado con base en la distribución estadística de una serie de valores medidos y la experiencia de incertidumbre u otra información del valor calculado con base en la función de densidad de probabilidad.


Error de medida

Cuando el instrumento realiza una medición, el error se define como la diferencia entre el valor leído por el instrumento y el valor real de la variable medida. Por tanto, representa la diferencia entre el valor medido instantáneamente y el valor real de la variable. En cualquier momento, la gente quiere que el error sea cero, pero nunca será así, porque el instrumento se deteriorará con el tiempo y, a veces, será necesario calibrarlo. 


Si el proceso está en estado permanente, indicará un error estático; si el sistema es dinámico, el error cambiará significativamente, debido a que el instrumento interactúa con el proceso, lo que provocará algunos retrasos en la lectura del instrumento. En estos casos, a menudo se denomina error dinámico. Cuando varios instrumentos participan en la medición, el valor final de la medición consistirá en el error de cada instrumento. Si el límite del error relativo de cada instrumento es ± a, ± b, ± c, etc., el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores, a saber:

 

Sensibilidad

Es la capacidad de un instrumento de medida para apreciar cambios en la magnitud que se mide, de tal forma que lo más sensibles son capaces de detectar cambios más pequeños.


El instrumento de medición puede detectar pequeños cambios de la forma más sensible, para apreciar cambios en la amplitud medida. Por lo tanto, después de alcanzar un estado estático, es la razón (cociente) entre el aumento en la lectura del instrumento y el aumento en la variable lo que provocó la variable. Expresado como porcentaje del intervalo de medición. Cuando un instrumento de medición es más preciso, será más sensible que otro.

Repetibilidad

Es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la misma distancia de detección nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje eléctrico.


Bajo las mismas condiciones de operación, la consistencia entre múltiples mediciones consecutivas del mismo valor de entrada y la ejecución de la escala completa es siempre en la misma dirección. Al medir repetidamente el mismo valor de la variable bajo las mismas condiciones de uso y la misma dirección de cambio, tiene la capacidad de reproducir la posición del bolígrafo, el índice o la señal de salida del instrumento, cubriendo todo el campo. El valor máximo (máxima repetibilidad) generalmente se considera y se expresa como un porcentaje del rango; el valor representativo es ± 0,1%. Para determinar este valor, el fabricante comprueba la diferencia entre el valor real de la variable y la indicación o señal de salida del instrumento recorriendo todo el campo y realizando cada comprobación a partir del valor mínimo del campo de medición.

Histéresis

La histéresis se puede calcular como un porcentaje por la relación o cociente de un valor fijo del valor medido desde el comienzo de la escala hasta el valor y el valor medido desde el final de la escala hasta el valor. Si en un termómetro 0-100ºC, para un valor variable de 40ºC, cuando la temperatura aumenta de 0, el puntero indica 39,9; cuando la temperatura baja de 100ºC, el puntero indica 40,1; el valor de histéresis es:

Realizando las operaciones matemáticas indicadas en el apartado de la histéresis y partiendo de los siguientes datos:

  • Escala de medida: de 0 a 100 ºC.
  • Temperatura medida en sentido ascendente = 40,1 ºC.
  • Temperatura medida en sentido descendente = 39,9 ºC.

Cuando la variable sube y baja toda la escala en ambas direcciones, es la mayor diferencia observada en el campo de medición en el valor indicado por el índice o la pluma del instrumento. Se expresa como un porcentaje del rango de medición. La siguiente figura muestra cómo se compara la respuesta de un instrumento sin histéresis (figura A) con el aumento y disminución de la variable medida del mismo instrumento con histéresis (figura B).

 

Es la diferencia entre los puntos de operación (conectado) y liberación (desconectado) cuando el objeto se aleja de la cara del sensor y se expresa como un porcentaje de la distancia de detección. Sin una histéresis suficiente, el sensor de proximidad se conecta y desconecta continuamente al aplicar una vibración excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustar mediante circuitos adicionales.

Resolución

Es la menor diferencia de valor que el instrumento puede distinguir. En los instrumentos analógicos interviene el operador según donde observe la posición de la aguja, su error de paralaje en la lectura efectuada y la distancia entre los valores marcados en la escala.


Por ejemplo, en un indicador de nivel de 0% a 100% graduado cada 1% de la escala, con la aguja indicadora, que el observador considera en la mitad entre las divisiones 52% y 53%, y que el afirma que es capaz de discriminar valores del 0,5%, podrá considerarse la resolución como (0,5/100) = 0,05%. En los instrumentos digitales, la resolución es el cambio de valor de la variable que ocasiona que el dígito menos significativo se modifique. Por ejemplo, un indicador digital de temperatura en el que se lee 531,01 °C, el dígito menos significativo es el último 1.

Deriva


Lo que llamamos deriva térmica es el efecto de la temperatura ambiente sobre la precisión del equipo, o deriva provocada por el paso del tiempo. Deriva de base cero (cambios en la señal de salida cuyo valor medido es cero debido a cualquier causa interna) y deriva térmica de base cero (cambios en la señal de salida debido a la medición de cero). temperatura).

 La deriva generalmente se expresa como un porcentaje de la señal de salida a escala completa dentro de la unidad o rango de temperatura a temperatura ambiente. Por ejemplo, la deriva térmica cero del instrumento durante 1 mes a temperatura ambiente es del 0,2% del rango.

Trazabilidad

La trazabilidad es un término que surgió en 1996 para dar respuesta a las necesidades de los consumidores que participan en Europa y al descubrimiento e influencia de las vacas locas en diferentes países. Existen diferentes definiciones de trazabilidad: Los atributos de los resultados de medición o valores estándar pueden relacionarse con una referencia específica a través de una incertidumbre específica y una cadena continua de comparación, generalmente un estándar nacional o internacional.


Tipos de trazabilidad

  • Trazabilidad en medidas físicas

La trazabilidad de medidas físicas es a patrones de referencia del Sistema Internacional de Unidades (SI), todas las medidas sean básicas o derivadas deben estar trazadas a patrones de las 7 unidades básicas del SI.

  • Trazabilidad en medidas químicas

La trazabilidad en las mediciones químicas es hacia la unidad de cantidad de sustancia. Por la diversidad de matrices y sus interacciones con el analito a medir, la trazabilidad de mediciones químicas es a valores de referencia que son trazados a magnitudes básicas del SI a través de lo que se denomina método primario.

Ruido


Se considera ruido como cualquier interferencia eléctrica o señales dañinas inesperadas cambiarán la transmisión, instrucción o registro de los datos requeridos. Un caso especial es la interferencia del transmisor de radio RFI (Interferencia de radiofrecuencia). Puede expresarse como la unidad de la señal de salida o como un porcentaje del rango. Puede existir ruido en el sensor, transductor o actuador que interactúa con la señal antes, después o en el medio, o en el medio que genera, amplifica, replica, transmite o recibe la señal; entre el dispositivo de medición y el sensor y cada En el canal o interfaz entre las dos etapas. En general rara vez se puede separar o “eliminar” totalmente un ruido, sino que se atenúa o reduce.

Linealidad

Es la característica que define que tanto se acerca la curva de calibración del instrumento a una línea recta.


El concepto de linealidad ha sido ampliamente utilizado en análisis e instrumentos industriales, pero su definición es a menudo confusa y su determinación puede ser complicada. La regresión lineal es uno de los procedimientos estadísticos más útiles y útiles disponibles para los meteorólogos. La regresión de orden superior y otras regresiones no lineales y regresiones múltiples también se utilizan ampliamente (Fluke. 1994). La linealidad todavía se puede analizar mediante métodos de coherencia gráfica, pero cuando se requiere una evaluación cuantitativa, siempre es necesario el análisis numérico. En este caso, es importante utilizar el método de mínimos cuadrados para calcular la curva de ajuste.

Amplificador

Un amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial de voltaje-voltaje cuya ganancia puede ajustarse con mucha precisión y optimizarse para funcionar de acuerdo con sus propias especificaciones incluso en entornos hostiles. Es el elemento básico del sistema de medición, en el que se ensambla en bloques funcionales, que aportan sus propias características funcionales y no tienen nada que ver con otros elementos interactuantes.

Para ello, se le requiere:

a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.

b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollados para ser utilizados en sistemas de instrumentación en los que las características de operación son críticas.

Calibración

La calibración es un conjunto de operaciones establecidas bajo condiciones específicas, estas condiciones son el valor de la cantidad indicada por el instrumento de medida o sistema de medida, o el valor representado por la medida física o el material de referencia y el valor correspondiente determinado por el estándar.

Sistema de control

Es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados, constituye una parte muy importante de los procesos industriales modernos, donde se les usa principalmente para regular variables tales como la presión, temperatura, nivel, flujo, viscosidad, densidad, etc.

Pero un sistema de control no se establece como tal solo por contar con estos dispositivos, sino que debe seguir la lógica de al menos 3 elementos base:


  • Una variable a la que se busca controlar.
  • Un actuador.
  • Un punto de referencia o set-point.

Características principales. 

Las características que se busca encontrar en un sistema de control son:

  • Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.
  • Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua.
  • Trabajar ampliamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.
 

Lazo cerrado

La salida no depende en absoluto de la entrada. Se utiliza entonces en procesos y dispositivos en donde la variable es predecible y admite un margen de error amplio.

Lazo abierto

En este tipo de sistema de control, hay información sobre la variable, incluida la retroalimentación sobre el estado de la variable. La información sobre las variables se obtiene mediante el uso de sensores ubicados estratégicamente. El sensor hace que el proceso sea completamente autónomo.



Referencia Bibliográfica

  • Enrique, H. (2013). El ABC de la Instrumentación en el Control de Proceso Industrial. Mexico: Limusa.
  • Sadi, G. M. (2017). Fundamentos Basicos de Instrumentación y Control. Santa Elena: UPSE.
  • Antonio, C. (2011). Instrumentación Industrial. Barcelona: Marcombo.
  • Ogata, K. (2010). Ingenieria de control moderna. Madrid: Pearson. Villalobos Ordaz, R. R. (2006). Medición y Control de Procesos Industriales. Mexico: Isen.