INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN

• Integrantes:• Sergio Gpe. Marrero Aguillón • Randy Manuel Valerio Hernández• Jorge Aly Olvera Cuellar

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A

INSTRUMENTACIÓN.1.1 conceptos y Definiciones.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL.• Grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de

un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste. • La instrumentación es la ventana a la realidad de lo que esta sucediendo en

determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentac

DEFINICIONES Y CONCEPTOS• Variable: es cualquier elemento que posee características dinámicas,

estáticas, química y físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente se pueden medir.

• Variable controlada: es la variable directa a regular, sobre la que constantemente estamos pendientes ya que afecta directamente al sistema del proceso.

• Variable Manipuleada: es la que se modifica para afectar directamente a la variable controlada, es la herramienta para modificar la variable directa en el proceso

• Procesos: es un desarrollo que es realizado por un conjunto de elementos cada uno con ciertas funciones que gradual y progresivamente producen un resultado final.

• Sistema: es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo.

• Perturbaciones: señal que afecta la respuesta real del sistema produciendo un error en la medida.

• Control retroalimentado: es el que auto corrige las perturbaciones, eliminando los errores para obtener la salida ideal.

• Rango: es el campo de medida para cualquier numero de valores que siempre deben estar entre un limite superior e inferior según las especificaciones del instrumento.

• Alcance: es la diferencia entre los limites superior e inferior del rango, es lo equivalente al área de operación.

• Elevación de cero: es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor inferior del campo de medida.

• Ruido: señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de medición.

• Resolución: es la de visualización a escala del instrumento.• Linealidad: es la proporcionalidad directa y libre de errores con

equivalencias de alta calibración.• Estabilidad: son los instrumentos de altas calidad, que tienen una

probabilidad de tener una larga vida útil.

• Transmisor: capta la señal del elemento primario de medida y la transmite a distancia en forma eléctrica,neumática, hidráulica, mecánica y ultrasónica.

• Transductor: dispositivo que recibe una o varias señales provenientes de la variable medida y pueden modificarla o no en otra señal.

• Convertidor: es el que se encarga de modificar la señal de entrada y la entrega en una señal de salida estándar.

1.2 CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS

INSTRUMENTOS.

CARACTERÍSTICAS.

Los instrumentos de control empleados en las industrias tienen su propia terminología; los términos empleados de definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos.

CAMPO DE MEDIDAEs el espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

ERROR

El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prác cas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida.

El error absoluto es: Error absoluto = Valor leído - Valor verdadero

El error relativo representa la calidad de la medida y es: Error relativo = Error absoluto / Error verdadero

INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA

La incertidumbre de medida es una estimación del posible error en una medida. También es una estimación del rango de valores que contiene el valor verdadero de la cantidad medida. Así mismo, representa la probabilidad de que el valor verdadero esté dentro de un rango de valores indicado.

EXACTITUD

Es la cualidad de un instrumento de medida por la que ende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida.La exactiud se da en términos de inexactitud, es decir, un instrumento de temperatura de 0-100 °C con temperatura del proceso de 100 °C y que marca 99,98 °C se aproxima al valor real en 0,02 °C, o sea tiene una inexactitud de 0,02 °C.

PRECISIÓN

La precisión (precisión) es la cualidad de un instrumento por la que ende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas.

ZONA MUERTA

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.

SENSIBILIDAD

Es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo.

REPETIBILIDAD

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.

HISTÉRESIS

Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida 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 un termómetro de 0-100%, para el valor de la variable de 40 °C, la aguja marca 39,9 °C al subir la temperatura desde 0 °C, e indica 40,1 °C al bajar la temperatura desde 100 °C, el valor de la histéresis es de:

CLASIFICACIÓN:EN FUNCIÓN DEL INSTRUMENTO.

• Instrumentos ciegos.Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable.

• Los instrumentos indicadores.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.

• Los instrumentos registradores.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 sensores.Captan el valor de la variable de proceso y envían una señal de salida predeterminada.

• Los transmisores.Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua o digital.

• Los transductores.Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida, es decir, convierten la energía de entrada de una forma a energía de salida en otra forma. • Los convertidores.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 (convertirla) envían la resultante en forma de señal de salida estándar. • Los receptores.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.

• Los controladores.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.

EN FUNCIÓN DE LA VARIABLE DE PROCESO.

• Caudal• Nivel• Presión• Temperatura• Densidad y peso específico• Humedad y punto de rocío• Viscosidad, posición• Velocidad• pH• Conductividad• Frecuencia, fuerza• Turbidez

1.3 SIMBOLOGÍA, NORMAS Y SISTEMAS DE

UNIDADES.

• Norma ISA-S5.1-84 (R-1992).Cada instrumento debe identificarse con un código alfanumérico o número de tag que contenga el número de identificación del lazo.

• NORMA ISA-S5.2-76 (R-1992)

Esta norma lista los símbolos lógicos que representan operaciones con enclavamientos binarios y sistemas secuenciales para el arranque, operación, alarma y paro de procesos y equipos en la industria.

• NORMA ISA-S5.3-1983

El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, miniordenadores y sistemas de microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de interfase. Los símbolos representan la interfase con los equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros pos de hardware.

• NORMA ISA-S5.4-1991

Los diagramas de lazos de control se utlizan ampliamente en la industria presentando en una hoja toda la información necesaria para la instalación, comprobación, puesta en marcha y mantenimiento de los instrumentos, lo que facilita la reducción de costes, la integridad del lazo, la exactitud y un mantenimiento más fácil del sistema.

1.4 PRINCIPIOS GENERALES PARA LA

SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN. 

La selección del instrumento es una cosa importante en cualquier planta industrial para medir la cantidad específica.

Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas muy variadas que a veces varían de industria a industria.

Esta gran variedad de normas y sistemas utilizados en las organizaciones industriales indica la necesidad universal de una normalización en este campo.

GENERALIDADES.

A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo clasifique funcionalmente. Una identificación representativa es la siguiente:

B) El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene:

1. Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un transmisor registrador de relaciones de caudales con interruptor de alarma de relación de caudales puede identificarse con dos circulos uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.

2. En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación).

C) Los bucles de instrumentos de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números.

D) Si un bucle dado tiene mas de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., estos sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas:

1. Deben emplearse letras mayúsculas, A, B, C, etc.

2. Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos formados por letras y números.

E) Un instrumento que realiza dos o mas funciones puede designarse por todas sus funciones. Por ejemplo un registrador de caudal FR-2 con pluma de presión PR-4 se designa preferentemente FR-2/pR4 o bien UR-7

F) Los accesorios para instrumentos tales como rotamientos de purga, filtros manorreductores y potes de sello que no están representados explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una identificación para otros usos deben tenerla de acuerdo con su función y deben emplear el mismo numero del bucle que el del instrumento asociado . Alternativamente, los accesorios pueden empelar el mismo numero de identificación que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras aclaratorias si ello es necesario.

TABLA 1.1 LETRAS DE IDENTIFICACIÓN.

TABLA 1.1 LETRAS DE IDENTIFICACIÓN.

1.5 PROPAGACION DE ERROR Y MEDICION

En ciencias e ingeniería (experimentales) es imprescindible realizar mediciones, que consisten en obtener la magnitud física de algún atributo de objetos (proceso, fenómeno, sustancia, etc.). 

Ejemplos de algunos atributos son; longitud, masa, temperatura, Consistencia. 

Para determinar el valor de una magnitud física se emplea un instrumento de medición y un método de medición. Así también se requiere definir un a unidad de medición.[practica: definir el patrón de medición de longitud, masa, tiempo]

EL ERROR.

El termino error es sinónimo como incertidumbre experimental. Existen limitaciones instrumentales, físicas y humanas que causan una desviación del valor “verdadero” de las cantidades que se desean medir. 

Estas desviaciones son denominadas incertidumbres experimentales o errores en la medición

EL VALOR VERDADERO.

El valor verdadero es aquel que obtendríamos si no existiesen errores en las mediciones, sin embargo esto es imposible.

Se puede mejorar el procedimiento de medición pero jamás se puede eliminar el error, por lo que jamás podemos esperar el valor verdadero. Entre las varias limitaciones de medición se tienen:

− La precisión y exactitud de los instrumentos de medición− La interacción del método de medición con el mesurando− La definición del objeto a medir− La influencia del observador que realiza la medición.

TIPOS DE ERRORES.

Los errores experimentales son de dos tipos: determinados (sistemáticos) e indeterminados.

Los errores determinados o sistemáticos son aquellos que cuando se realizan mediciones repetidas, el error tiene la misma magnitud y el mismo signo algebraico, lo que significa que pueden ser reconocidos e identificados, por lo tanto la magnitud y el signo son determinables. 

Ejemplos: Un instrumento o escala no calibrada, una persona que no distingue colores correctos, el uso de un valor no correcto de una constante (o unidades no adecuadas).

ERRORES INDETERMINADOS.

Los errores indeterminados están siempre presentes en las mediciones experimentales. En estos no existe la manera de determinar el signo ni la magnitud del error en mediciones repetidas. 

Los errores indeterminados resultan, en el proceso de medición, en la obtención de diferentes valores cuando se efectúan mediciones repetidas (asumiendo que todas las condiciones permanecen constantes). 

Las causas en los errores indeterminados son diversas; error del operador o sesgo, condiciones experimentales fluctuantes, variabilidad inherente en los instrumentos de medición, etc.

EFECTO DE LOS ERRORES.El efecto que tienen los errores indeterminados en los resultados se puede minimizar al efectuar mediciones repetidas y después calcular el promedio. El promedio se considera una mejorrepresentación del valor verdadero que una sola medición, ya que los errores de signo positivo y los de signo negativo tienden a compensarse en el calculo de la media.

Los errores determinados pueden ser mas importantes que los indeterminados por tres razones:

 1. No existe método seguro para descubrirlos e identificarlos al analizar los datos experimentales.

2. Sus efectos no pueden ser reducidos al promediar mediciones repetidas.

3. Los errores determinados tienen la misma magnitud y signo para cada medición en un conjunto de mediciones repetidas, por lo que no tienden a cancelarse los errores negativos y los positivos.

EXPRESIÓN DEL ERROR.Se ha mencionado que el error en la medición esta asociado al concepto de incertidumbre. Se desea expresar el grado de error en las mediciones o el limite probabilístico de la incertidumbre. Conceptualmente se concibe el error como la dispersión de las diferentes mediciones de un valor central. 

Esto se expresa como:

x ± ∆x = (x ∆x) < x < (x +∆x)

Ej; 24.2 ± .8 = (24.2 .8) < 24.2 < (24.2 +.8)

El error se puede expresar como:− error absoluto є = ∆x− error relativo єx =∆x/x− eror porcentual єx % = єx * 100

PRECISIÓN Y EXACTITUD.

La precisión de un instrumento o método de medición esta asociado a la sensibilidad o menor variación de la magnitud que se puede detectar con dicho instrumento o método. 

La exactitud es una medida de la cercanía de nuestro resultado con respecto al valor verdadero. Una medición con un error indeterminado relativamente pequeño se diese que tiene una alta precisión.

Una medición con un error pequeño indeterminado y determinado se dice que tiene una alta exactitud. La precisión no implica necesariamente exactitud. Una medición precisa puede ser inexacta si tiene un error determinado.

PROPAGACIÓN DE ERRORES.Supongamos que se miden dos dimensiones con sus respectivos errores (x ± ∆ x) , (y ±∆y)  y con las mismas unidades, pero se desea encontrar una tercera cantidad que es el resultado de operaciones aritméticas de las dos primeras mediciones (x, y). Lo cual puede ser:

z = x + yz = x – yz = x*yz = x/y

Por lo tanto se propaga para el resultado (z) a partir de los errores asociados a cada dimensión original (x, y) . Finalmente se expresa el resultado respectivo con un error propagado.

Z ± ∆z

Para encontrar el error propagado ∆z se emplean diversas formulas, dependiendo de la operación aritmética empleada en el calculo de z. Los valores de ∆x y ∆y corresponden a la desviación estándar respectiva