Conceptos básicos para instrumentación industrial

1. LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
Es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir transmitir,
controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los
recursos utilizados en éste.
Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados
para apoyar al usuario en la medición, regulación observación,
transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un
proceso de tipo productivo.
1

2. Debido a la importancia de crear y mejorar un producto en base a un
proceso determinado; los dispositivos de control y regulación de
sistemas, sientan sus bases en la Instrumentación Industrial y el
Control Automático.
Dicha disciplina a su vez, descansa en otras más la cuales son
fundamentales para poder llevar a cabo el objetivo de controlar el
proceso dentro de una planta; a continuación se presentan las áreas
necesarias para poder llevar a cabo estos procesos.
2
LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

3. 3
LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

4. EL CONTROL DE UN PROCESO
Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cuál el
n1aterial o la energía (materia prima); es convertida a otras formas de
material o energía (producto final).
Ejemplos:
-Cambio en presión, temperatura, velocidad, potencial eléctrico, etc.
4

5. El control de un proceso
5
El controlador es el dispositivo donde reside la inteligencia y el poder de decisión
del lazo de control. Recibe señales, las procesa y envía señales para ejecutar
acciones específicas.
 Opera automáticamente para regular la variable controlada.
 Usualmente, consiste de una computadora que toma decisiones
automáticamente para abrir ó cerrar una válvula según sea necesario para
estabilizar la variable de proceso en el SP predeterminado .

6. DEFINICIONES Y CONCEPTOS
DEFINICIÓN DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL:
Un sistema de instrumentación industrial es una estructura compleja que
agrupa un conjunto de instrumentos, un dispositivo ó sistema en el que
se efectúa una medición, unas conexiones entre estos elementos y por
último y no menos importante, el software que se encargan de
automatizar el proceso y de garantizar la fiabilidad y repetibilidad de las
medidas.
6

7. DEFINICIONES Y CONCEPTOS
Existen distintos tipos de instrumentos como lo son los sensores,
transmisores, registradores, controladores, convertidores, actuadores y
elementos finales de control, estos forman lazos de control para
automatizar y dar fiabilidad a un proceso.
7
Entre las variables más medidas en la industria encontramos:
 TEMPERATURA
 PRESIÓN
 FLUJO
 NIVEL
 VARIABLES ANALÍTICAS

8. DEFINICIONES DE CONTROL
Uno de los puntos principales en el mundo de la instrumentación, es la
terminología que se emplea para poder conocer las especificaciones con
la que los fabricantes de equipo e instrumentos diseñan, desarrollan,
prueban y calibran.
Unido a esto los técnicos, especialistas e ingenieros relacionados en el
campo del control de procesos deben de conocer esta terminología para
poder comunicarse de manera adecuada durante la operación de la
planta.
8
Transmisor de Temperatura
(hart)
Transmisor de Presión

9. DEFINICIONES DE CONTROL
En el control de procesos el término “especificaciones” se utiliza para
describir las características de un sistema de medición o transductor que
usualmente se muestra en las hojas de datos del instrumento.
Se debe de dejar en claro que aunque no existe un acuerdo universal en el
significado de los términos, si se tiene un acuerdo en su interpretación.
Norma ISA
9
Transmisor de
Temperatura
(hart)
Transmisor de
Presión

10. CAMPO DE MEDIDA
Es el conjunto de valores de medida dentro de los límites superior en
inferior de medida; en los cuales el instrumento es capaz de trabajar de
forma confiable.
El Campo de Medida o (RANGE) define las características de los
instrumentos relacionadas con el "Rango" engloban las particularidades
distintivas que poseen los mismos con respecto a un banda de valores de
la variable medida.
Por ejemplo un TT puede presentar un rango de
medición de entrada de -10°C a 150°C y tener un
rango de salida estándar de 4-20 mA. 10

11. URV(Valorde RangoMáximo)
11
LRV(Valorde RangoMínimo)
El valor máximo de La variable medida que un dispositivo esta ajustado
para medir
El valor mínimo de la variable medida que un dispositivo esta ajustado
para medir.
Un instrumento no necesariamente
debe de ser calibrado en un rango de
medición único. Por ejemplo un
multímetro digital puede tener distintos
rangos de medición seleccionados por
medio de un interruptor o perilla de
selección; en este caso se dice- que el
instrumento resulta ser “Multirango”.

12. VARIABLEDE RANGO(RANGEABILIDAD)
La variabilidad del rango de un instrumento; se define como la relación
entre el valor máximo y el valor mínimo que se puede medir; este
concepto está normalmente asociado a instrumentos de medición de flujo
y válvulas.
Por ejemplo, un indicador de flujo que tenga una variabilidad de rango de
3:1 significa que el flujo máximo que puede medir es tres veces mayor que
el rango mínimo indicado en el instrumento.
12

13. RANGOCON CEROELEVADO
13
RANGOCON CEROSUPRIMIDO
Es aquel campo de medida en que el valor cero de la variable o señal
medida es mayor que el valor inferior del campo. El factor de elevación de
cero (FE) se calcula de la siguiente manera:
Cuando el cero de la variable medida está por debajo del rango inferior
(RI), se dice que el instrumento tiene rango de cero suprimido o que se
tiene supresión de cero.
Ejemplos: 30 a 300, 100 a 500. El factor de supresión de cero, por sus
siglas (FS) se calcula de la siguiente manera:

14. ALCANCE
El alcance de un instrumento (SPAN) Es la diferencia algebraica entre los
valores superiores (RS) e inferiores (RI); del Campo de Medida del
instrumento.
Típicamente en los instrumentos multirrango también puede variar el
alcance. El alcance del instrumento es un parámetro muy importante, ya
que gran parte de la características del mismo; están expresadas en
función del alcance o del (RS). 14

15. ALCANCE
A manera de ejemplo; si se cuenta con un TE (Sensor de Temperatura)
con un rango que va desde los 100°C a 500°C; se tendrá entonces un
SPAN de 400 °C si se aplica correctamente la fórmula.
Típicamente existen otros conceptos relacionados con el CAMPO y el
ALCANCE de un instrumento; a continuación se mencionan los más
importantes que hacen combinación de los conceptos anteriormente
vistos.
15

16. TABLADE RELACIÓNDE CONCEPTOSDE
CAMPO Y SPAN
La siguiente tabla muestra un ejemplo del uso de la terminología asociada
al rango y al alcance, donde RI es el rango inferior y RS el superior
16
A) 100 - 0 = 100
B) 100 - (-25) = 125
C) 100 - 20 = 80
B) |-25|/125 = 0.20
C) |20| / 80 = 0.25

17. MEDICIONES CON INSTRUMENTOS
Algunos de los factores que afectan la correcta medición de un
proceso son principalmente los siguientes:
17
La exactitud
La precisión
La resolución
La repetibilidad
La reproducibilidad
La linealidad
La histéresis
La incertidumbre
El Error

18. MEDICIONES CON INSTRUMENTOS
La EXACTITUD de la medición es la concordancia entre un valor
obtenido experimentalmente y el valor de referencia. Es la función de
la repetibilidad y de la calibración del instrumento.
18
La RESOLUCIÓN DEL INSTRUMENTO, es el mínimo valor confiable que
puede ser medido en instrumento.
VALOR DESEADO= Set Point SP

19. DERIVA
Es una variación en la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo
determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las
condiciones ambientales.
Se suelen considerar la deriva de cero y la deriva térmica de cero; la deriva esta
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.
19
FIABILIDAD
La Fiabilidad ("Reability") es la medida de la probabilidad de que un instrumento
continue comportándose dentro de limites especificados de error a lo largo de un
tiempo determinado y bajo condiciones especificadas
Transmisor de Presion

20. EXACTITUD
La Exactitud (“Accuracy”) de una medida, es el grado de aproximación al
valor verdadero; en otra palabras, es la cualidad de un instrumento de
medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la
magnitud medida.
La exactitud tal como la considera el fabricante del instrumento, define los
limites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en
condiciones normales de servicio durante un periodo de tiempo
determinado (normalmente 1 año).
20
Termometro
(Sistema Termal)

21. PRECISIÓN
La precisión de una medida es el grado de dispersión del resultado de la
medida cuando esta se repite un numero determinado de veces bajo
condiciones especificadas.
En otras palabras, la precisión es la cualidad de un instrumento por la que
tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de
dispersión de las mismas; un instrumento puede tener una pobre exactitud
pero al tiempo una gran precisión.
21
Por tanto, los instrumentos de medida
estarán diseñados por los fabricantes para
que sean precisos, y como periódicamente
se descalibran, deben reajustarse para que
sean exactos
Termometro bimetalico

22. PRECISIÓN
22
Se debe señalar que el termino precisión se asocia en ocasiones
a la repetibilidad, resolución o exactitud, por lo que es preferible
utilizar estos últimos términos y evitar el uso de precisión para evitar
confusiones.

23. EXACTITUDYPRECISIÓNENUNINSTRUMENTOINDUSTRIAL
RELACIÓN ENTRE LOS CONCEPTOS DE INCERTIDUMBRE,
EXACTITUD Y PRECISIÓN.
23

24. EXACTITUDY PRECISIÓNEN UN
INSTRUMENTOINDUSTRIAL
RELACIÓN ENTRE LOS CONCEPTOS DE INCERTIDUMBRE, EXACTITUD Y
PRECISIÓN.
24

25. ZONA MUERTA
La Zona Muerta (Dead Band ó Dead Zone) de un instrumento; es el Rango de
Valores de la variable de entrada en donde no se logra cambiar la indicación
ó señal de salida de un instrumento; es decir, que la salida no responde al
estímulo de la entrada.
Viene determinada en porcentaje del SPAN, la causa directa de la Banda
Muerta, es la fricción o juego de piezas del instrumento; de esta forma el
termino sensitividad es frecuentemente empleado para denominar a éste
concepto.
25
La banda muerta se mide durante el cambio de dirección de la
variación de la señal medida
Transmisores de Nivel
presentan este problema
Medidos usualmente en
terminus del % del Span

26. RESOLUCIÓN
Indica la capacidad del sensor para poder discernir entre los valores muy
próximos de la variable de entrega. Se mide por la mínima" diferencia entre
los dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir, por lo que es un
término relacionado con la DZ.
Se puede indicar en términos de valor absoluto de la variable física medida ó
en porcentaje % FS de salida.
26
%FS = Full Scape o Full Span

27. 27
RUIDO
Es cualquier tipo de perturbación eléctrica o señal accidental que se
encuentra presente en la variable del proceso o en los instrumentos de
medición, que no es deseada y puede modificar la transmisión, indicación o
registro de los datos deseados en el sistema.
Debe de filtrarse para evitar que
se ponga en contacto con los
controladores, donde reside tipo
y modo de control que afectará
en gran medida a los elementos
finales de control y la calidad de
producto terminado

28. SENSIBILIDAD
La sensibilidad es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la
lectura en el instrumento y el incremento de la variable que lo ocasiona en
el proceso, después de haberse alcanzado el estado de reposo.
Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de presión diferencial el cual
presenta un campo de medida de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y
la señal de salida de 11,9 a 12,3 mAc.c., la sensibilidad sería:
Calcular la Sensibilidad
28
(12,3−11,9)/(20−4)
(5,5−5)/10
= ±0,5𝑚𝐴 𝑐. 𝑐./bar
SENSIBILIDAD =
∆ OUT/SPAN OUT
∆ IN/SPAN IN
IN
URV= 10 Bar
LRV= 0 Bar
SPAN IN = 10 Bar
OUT
URV= 20 mA
LRV= 4 mA
SPAN OUT = 16 mA
Protocolo HART= 4-20mA

29. SENSIBILIDAD
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 de los instrumentos”.
29

30. REPETIBILIDADY REPRODUCIBILIDADEN
SISTEMASDE MEDICIÓN
Repetibilidad y reproducibilidad son los dos componentes de precisión en
un sistema de medición. Para evaluar la repetibilidad y reproducibilidad,
utilice un “Estudio R&R” del sistema de medición.
30

31. 31
REPRODUCIBILIDAD
Capacidad de un sistema de medición, utilizado por varios operadores, para
reproducir de manera uniforme la misma medición de la misma pieza, bajo
las mismas condiciones.
Los operadores 1, 2 y 3 miden 20 veces la misma pieza con el mismo sistema
de medición.
Las tres líneas representan las
mediciones del operador 1, 2 y 3.
La variación en las mediciones
promedio entre los Evaluadores 1
y 2 es mucho menor que la
variación entre los Evaluadores 1
y 3. Por lo tanto, la
reproducibilidad del sistema de
medición es demasiado alta.

32. REPETIBILIDAD
La Repetibilidad ("repeatibility") 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.
La repetibilidad es sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad, es decir, a
un menor valor numérico (por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en
otro es 0,005%, este segundo tendrá más repetibilidad), los valores de la
indicación o señal de salida estarán mas concentrados, es decir, habrá menos
dispersión y una mayor precisión
32
vs

33. HISTÉRESIS
La histéresis (Hysteresis) 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.
33

34. HISTÉRESIS
Por ejemplo, si en un termómetro de 0-100 °C, para el valor de la
variable de 40 °C la aguja marca 39,9 al subir la temperatura desde 0°C,
e indica 40,1 °C al bajar la temperatura desde 100 °C.
Determine el valor de la histéresis del instrumento en términos de %.
34

35. HISTÉRESIS
Por ejemplo, si en un termómetro de 0-100 °C, para el valor de la
variable de 40 °C la aguja marca 39,9 al subir la temperatura desde 0°C,
e indica 40,1 °C al bajar la temperatura desde 100 °C.
Determine el valor de la histéresis del instrumento en términos de %.
35
RANGO IN
URV= 100°C
LRV= 0 °C
MEDIDAS
SUBIDA= 39.9°C
BAJADA= 40.1°C
SPAN IN = 100°C CAMBIO OUT = 0.2°C
HYST =
∆ (SUP−INF)
SPAN IN
40.1 − 39.9
100 − 0
. 100 = ±0.2%

36. SATURACIÓN
La saturación del instrumento de medición, es el área de valores de la
variable medida, donde el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima
de operación y de respuesta; por lo que se presenta entonces un
comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto las medidas
que resulten de él serán no confiables dentro del proceso.
36
VIDA ÚTILDE SERVICIO
Característica muy importante que representa el tiempo durante el cual se
espera que el instrumento funcione de manera correcta y estable, de acuerdo
con las especificaciones y parámetros establecidos por el fabricante del
instrumento.
*Vida media útil = 5 – 15 años

37. TEMPERATURA DE SERVICIO
La temperatura del servicio se encuentra determinada por el fabricante
del equipo de instrumentación y representa, la zona de temperatura
dentro de la cual los resultados obtenidos por el instrumento resultan
ser confiables.
37
Temp. Ideal=25°C
Limites de temperatura ambiente= -40 a 85°C (-40 a 185°F)
Alimentación = 85 a 260 V c.a.
Señal de Salida = 20mA c.c.. O protocolo HART

38. LINEALIDAD
Se define como la
cercanía con la cual una
curva se aproxima a una
línea recta. La linealidad
es usualmente medida
como una no linealidad y
expresada como
linealidad; hoy en día
algunos instrumentos
tienen un ajuste de
linealidad.
38