Instrumentación y Control
Instrumentos de
medida
Un instrumento de medida es una herramienta que mide la magnitud física de un
determinado objeto o fenómeno. De esta manera, el resultado del proceso de
medición o comparación con unos parámetros ya determinados, es decir se basa en la
relación entre el objeto analizado y la unidad de referencia asignada.
Características de los instrumentos de medidas
Clasificación de los
instrumentos de medición
Existe una gran variedad de instrumentos de medición, por lo
tanto se pueden clasificar de diferentes maneras ya sea por medición lineal y
angular, medidores directos e indirectos, en este caso los vamos a clasificar
según la magnitud física.
Sensor
Los sensores son dispositivos sofisticados que son
frecuentemente usados para detectar y responder las señales eléctricas u
ópticas. Un sensor convierte el parámetro físico (por ejemplo:
temperatura, presión sanguínea, humedad, velocidad, etc. mediante una señal que
puede ser medida eléctricamente.
Tipos de sensores
Características de
los sensores
- Rango. Es el valor mínimo y máximo de la
variable física que el sensor puede percibir o medir.
- Amplitud. Es la diferencia entre los valores
máximos y mínimos de entrada.
- Exactitud. El error en la medición se
especifica en términos de precisión. Se define como la diferencia entre el
valor medido y el valor real. Se define en términos de % de la escala completa
o % de la lectura.
- Precisión. Se define como la cercanía entre un
conjunto de valores y es diferente de la exactitud.
- Sensibilidad. Es la relación entre el valor de
la salida y el valor de la entrada.
- La alineación. Es la máxima desviación entre
los valores medidos de un sensor de la curva ideal.
Transmisor
Los transmisores son instrumentos que captan la
variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor
indicador, registrador, controlador o combinación de estos. Existen
varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas,
digitales, hidráulicas y telemétricas.
Tipos de transmisores
Señal digital
Una señal digital es aquella que sólo nos pueden
proporcionar dos estados lógicos que pueden ser alto y bajo, o en efecto 0 y 1, visto
desde el punto vista digital. Aunque realmente, las señales digitales, no
existen, ya que esto implica tener un tiempo de subida o bajada de cero, lo que
resulta imposible en un caso real.
Se considera señales analógicas aquellas que están
representadas por funciones matemáticas que pueden tomar un número infinito de
valores en cualquier intervalo de tiempo, solo limitada por la potencia máxima
que se puede transmitir.
Analógico, es la descripción de una señal continua y variable dentro de un
circuito o dispositivo diseñado para contener a la misma. Lo opuesto al
concepto analógico usualmente se trata de impulsos eléctricos es el
concepto digital información binaria de unos y ceros.
Controlador
Tipos de controladores industriales
Un actuador
se define como un dispositivo que convierte una magnitud eléctrica en una
salida, generalmente mecánica, que puede provocar un efecto sobre el proceso
automatizado.
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Actuadores mecánicos.
Trabajan mediante la conversión de un tipo de movimiento (rotativo o lineal).
Combinan distintos componentes para operar, como engranes, poleas, cadenas,
resortes y rieles, entre otros. Son aplicables para los campos
donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y
posicionamiento lineal.
Actuadores neumáticos. Utilizan aire comprimido para producir el movimiento deseado. Son
utilizados cuando se requiere potencia, posicionamiento en un sistema
establecido.
Los actuadores hidráulicos. Utilizan líquido para generar movimiento. utilizados en la
industria hidráulica de potencia, y su uso abarca diversas aplicaciones, como
levantamiento, empuje, tracción, etc.
Los actuadores eléctricos. Usan una fuente de energía externa, como una batería, para producir movimiento. se
emplean para sistemas de visión y corrección remota de posiciones,
movimiento de brazos articulados, manipulación automática de objetos en
laboratorios, elevadores verticales y para el desplazamiento de
cargas.
Los actuadores térmicos. Utilizan la energía calorífica o magnética para producir el movimiento deseado. Estos
dispositivos se pueden utilizar para muchas aplicaciones; las industrias
aeroespacial, automotriz y agrícola emplean ampliamente dispositivos actuadores
térmicos.
Exactitud
Capacidad
de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas
en las mismas condiciones o de dar el resultado deseado con exactitud.
Incertidumbre
Se define como
la diferencia entre el valor medido y el “valor verdadero”. Los errores de
medición afectan a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a
distintas causas.
Los errores más frecuentes en un instrumento de medición son:
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Sensibilidad
La sensibilidad en sistemas de control se la define
como la capacidad de respuesta, excitaciones estímulos, causas o muy
pequeños cambios. E Dorf define la sensibilidad del sistema como la relación del
cambio en la función de transparencia del proceso para un cambio incremental
pequeño. Básicamente es las variaciones o cambios que se dan con respecto a la lectura
en los trasmisores. También es la
relación de entrada y salidas por unidad de tiempo.
Repetibilidad
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de
medida del instrumento (pluma, índice, señal) de la salida del instrumento, al
medir de forma repetitiva los valores de la variable en las mismas condiciones
de servicio y en el mismo sentido de variación recorrida del campo.
La repetitividad representa precisión si un instrumento
tiene menos margen de error o menor valor numérico, entonces su repetitividad será
mayor y habrá más precisión.
Histéresis
Es una propiedad, la tiene algunos instrumentos de
media, hace que las lecturas del instrumento difieran sea de manera ascendente
o descendente.
Resolución
Es la capacidad que tiene un sensor para poder comprender
entre los valores muy aproximados de la variable de entrega. Se mide por una mínima diferencia entre dos
valores aproximados y que es capaz de distinguirlos.
Cambio
pequeño en la entrada obligatorio para que se produzca un cambio notorio en la
salida
Deriva
Es la variación en la señal de salida que representa
un periodo determinado de tiempo cuando se mantiene constantes las variables de
medida y todas las condiciones. Hay dos
tipos la deriva cero y deriva térmica de cero, se representa por porcentaje de
señal de salida de la escala total a la temperatura ambiente por intervalo o variación
de temperatura.
Trazabilidad
Es una propiedad, resultado de las mediciones realizadas
con un instrumento con un patrón, de manera que puedan relacionarse con
patrones nacionales internacionales, de una manera de un seguimiento continuo e
interrumpido de comparaciones.
El objetivo de que las mediciones tenga trazabilidad es
que las medidas sean confiables.
Linealidad
Señala qué tan exactas son las mediciones de un
instrumento en todo el rango esperado de mediciones. Es por tanto un indicador
que nos informa si el sistema de medición tiene la misma exactitud para todos
los valores de referencia.
Básicamente es la característica que define que
tanto se acerca la curva de calibración del instrumento a una línea recta.
Calibración
La calibración de instrumentos es un proceso que
certifica si la medida obtenida por un instrumento es compatible con lo
esperado y que es apto para su uso, con el fin de evitar desviaciones en los
procesos de análisis y reducir costos.
En un laboratorio, todos los instrumentos de
medición que influyen en la precisión o validez de las pruebas, deben calibrarse.
En general también en las Industrias y otros segmentos, se debe utilizar la
calibración para cambio de propiedades con impacto en los
procesos o servicios
Sus
principales beneficios son:
Sistema
de control
Uno de los recursos más utilizados en el sector
industrial es el sistema de control. Toda producción liderada por
ingeniería requiere de este proceso para lograr objetivos determinados. La
función de este sistema es la de gestionar o regular la forma en que se
comporta otro sistema para así evitar fallas.
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 set-point
o punto de referencia
En una operación de control de granel, por ejemplo, la lógica del sistema de control debe utilizar sus 3 elementos. La variable por controlar podría ser el propio producto de granel al depositarse en contenedores industriales. El punto de referencia o set-point sería el encargado de determinar el límite de llenado, mientras que el actuador, sería el que ejecutaría la acción de llenado, que podría ser una bomba mecánica o eléctrica.
Tipos de
sistemas de control
El sistema de control puede ser de dos
tipos y estos difieren en la manera en que lidian con la variable a
controlar.
Sistema de control de lazo abierto
En este tipo no existe información o retroalimentación sobre
la variable a controlar. Es decir, 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.
Un ejemplo muy claro es el del semáforo. Este sistema de
control es de lazo abierto porque se asigna un tiempo a cada luz, pero no se
tiene información sobre el volumen de tráfico.
Sistemas de control de lazo cerrado
Contrario al caso anterior, en este tipo de
sistema de control sí hay información sobre la variable, incluso
retroalimentación sobre los estados que va tomando. La información sobre la
variable se obtiene mediante el uso de sensores que son colocados de forma
estratégica. Los sensores hacen posible que el proceso sea completamente
autónomo.
Un ejemplo muy común es el de los aparatos minisplit o aires
acondicionados. En estos dispositivos la variable es la temperatura ambiental.
Los sensores determinan si debe o no entrar el compresor para enfriar el lugar.
La ingeniería de un proceso de control parecería simple con sus tres elementos base requeridos, sin embargo, es todo lo contrario. Se trata de sistemas básicos para la ingeniería industrial, incluyendo la automatización y que incluso encontramos en casi todos los equipos que usamos en nuestra vida diaria.
Video de la explicación
Bibliografía
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