Terminología, Tema 1 de Instrumentación Industrial

1. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
DEFINICIONES INICIALES
Joaquín Sevilla Moróder
Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Pública de Navarra
Septiembre, 2012

2. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

3. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

4. Instrumentación
• Instrumento: Cualquier dispositivo
empleado para medir, registrar y/o controlar
el valor de una magnitud de observación.
• La Instrumentación es la ciencia y
tecnología del diseño y utilización de lostecnología del diseño y utilización de los
instrumentos.
• Instrumentación Industrial
• Instrumentación Electrónica
• Instrumentación Biomédica
• .........

5. Instrumentación
- ¿Que es instrumentación?
– Como ya se ha visto, podríamos resumir: todo lo que tiene que
ver con medir, especialmente los dispositivos.
- ¿Para qué sirve?
– “ Making measurements is a means to an end, not an end in itself”– “ Making measurements is a means to an end, not an end in itself”
Smith
– “ It appears that the ultimate purpose of all measurements is, at some
time, gain control of a subject through knowledge about it”
Sydenham
– “ Quality Measurements: The Indispensable Bridge between Theory and
Reality. No measurements? : No science!” IEEE, IMEKO 96

6. Medir

7. Medir

8. Aspectos Técnicos (constructivos)
•••• Transducción
Aspectos Legales
•••• Normativa (calidad, ISO-9000)
•••• Trazabilidad
•••• Procedimientos
•••• Certificación
Aspectos Económico-Industriales
•••• Coste, disponibilidad
Aspectos fundamentales de la INSTRUMENTACION
•••• Transducción
•••• Acondicionamiento de señal
•••• Transimisión de la información
•••• Almacenamiento de la información
•••• Presentación de datos
•••• Coste, disponibilidad
•••• Duración (MTBF, ...)
•••• Resistencia ambiental
•••• Sencillez de manejo
Aspectos Fundamentales (Metrología)
•••• Qué es medir
Magnitudes físicas
Sistemas de unidades
Patrones, calibración
Calidad de las medidas. Errores
••••
••••
••••
••••

9. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

10. Fundamentos metrológicos
- Medida
– Procedimiento mediante el que se– Procedimiento mediante el que se
determina el valor (NUMERICO) de
una magnitud física.
– En general esto se hace por
comparación con un patrón
preestablecido.
Unidad
Número
NÚMERO + UNIDAD + ERROR
El resultado de una medida es:

11. Fundamentos metrológicos
• Magnitudes fundamentales y derivadas
• Fundamentales son muy pocas (3 para la mecánica, 1 más para
la electricidad, otra para la termodinámica, luz y cantidad de materia,
en total 7)
• Para cada magnitud fundamental se define una unidad,• Para cada magnitud fundamental se define una unidad,
una cantidad definida por consenso (lo más amplio posible)
• Una buena definición debería ser:
– Precisa (estable)
– Reproducible
– Cómoda
• Sistemas de unidades. El SI

12. Regulación legal de pesas y medidas
En el “Quaderno de Leyes Ordenanza y y
Provisiones”, de 1553, después de prohibir la
blasfemia, lo siguiente es ordenar las pesas y
medidas

13. Regulación Legal de “pesas y medidas”

14. MAGNITUD BASE NOMBRE SIMBOLO
longitud
masa
tiempo
corriente eléctrica
temperatura termodinámica
cantidad de sustancia
intensidad luminosa
metro
kilogramo
segundo
Ampere
Kelvin
mol
candela
m
kg
s
A
K
mol
cd
Las 7 unidades fundamentales SI
Unidad de Corriente Eléctrica: El ampere (A) es la intensidad de corriente, la cual al mantenerse entre dos
Unidad de Longitud: El metro (m) es la longitud
recorrida por la luz en el vacío durante un período
de tiempo de 1/299 792 458 s.
Unidad de Masa: El kilogramo (kg) es la masa del
prototipo internacional de platino iridiado que se
conserva en la Oficina de Pesas y Medidas de París.
Unidad de Tiempo: El segundo (s) es la duración
de 9 192 631 770 períodos de la radiación
correspondiente a la transición entre dos niveles
fundamentales del átomo Cesio 133.
Unidad de Corriente Eléctrica: El ampere (A) es la intensidad de corriente, la cual al mantenerse entre dos
conductores paralelos, rectilíneos, longitud infinita, sección transversal circular despreciable y separados en
el vacío por una distancia de un metro, producirá una fuerza entre estos dos conductores igual a 2 x 10-7 N
por cada metro de longitud.
Unidad de Temperatura Termodinámica: El Kelvin (K) es la fracción 1/273,16 de la temperatura
termodinámica del punto triple del agua.
Unidad de Intensidad Luminosa: La candela (cd) es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una
fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y que tiene una intensidad
energética en esta dirección de 1/683 W por estereorradián (sr).
Unidad de Cantidad de Sustancia: El mol es la cantidad de materia contenida en un sistema y que tiene
tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando es utilizado el
mol, deben ser especificadas las entidades elementales y las mismas pueden ser átomos, moléculas, iones,
electrones, otras partículas o grupos de tales partículas.
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/f1ap01/apf1_01a_Unidades_y_Medidas.php

15. AÑO ORGANISMO DEFINICIÓN
1795 Asamblea Francesa 1/10 000 000 del cuadrante del meridiano terrestre
1799 Asamblea Francesa
Materialización del valor anterior en una regla, a extremos, de platino
depositada en los archivos de Francia
1889 1.ª C.G.P. y M.
Patrón material internacional de platino iridiado, a trazos, depositado
Evolución de la definición del metro
1889 1.ª C.G.P. y M.
Patrón material internacional de platino iridiado, a trazos, depositado
en el BIPM. Es llamado metro internacional.
1960 11.ª C.G.P. y M.
1 650 763,73 l en el vacío de la radiación del Kripton 86 (transición
entre los niveles 2p10 y 5d5. (Incertidumbre 1·10-8)
1983 17.ª C.G.P. y M.
Longitud del trayecto recorrido en el vacio por la luz durante
1/299.792.458 segundos. (Incertidumbre 1·10-10)
Historia de las distintas definiciones del metro, cada vez más precisas
http://personal.telefonica.terra.es/web/pmc/metro.htm

16. La Candela (historia de una vela)
http://blogs.diariovasco.com/index.php/bigbang/2010/08/11/de_velas_y_ballenas

17. El futuro de las definiciones del SI
http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/
25262/?ref=rss

18. Fundamentos metrológicos
NÚMERO + UNIDAD + ERROR
El resultado de una medida es:
Que el número debe ir acompañado de una unidad (SIEMPRE) lo hemos
oído desde pequeños, incluso en los laboratorios de física suspendían por
no hacerlo. Aún así tendemos a no valorar suficiente este asunto.
Un par de historietas para concienciarse

19. Confundirse
de unidades
http://lapizarradeyuri.blogspot.com/2010/05/no-me-jodas-que-eran-newtons.html

20. Confundirse de unidades
http://blogs.diariovasco.com/index.php/bigbang/2010/08/29/saint_exupery_casi_muere_por_error_en_un

21. Se expresar el error (aunque no sea explícitamente)
NÚMERO + UNIDAD + ERROREl resultado de una medida es:
• ERROR:
– Darlo: unidades absolutas o porcentuales
– ¿Y cuando no se da? ... Se está dando implícitamente:
• Última cifra significativa
• Un error típico del asunto del que se trate• Un error típico del asunto del que se trate
• Hay que tener mucho sentido común
– Ojo al cambiar de unidades el error...
Ejemplo: Pasar 78º F a grados centígrados:
en general sabemos: C= (100/180)*(F-32)
si F= 78, la calculadora nos da como resultado: C= 25,555555555....
¿Cuantos de esos “5” son significativos? 78 = 78+- 1 = 78 +- 1,3%
El 1,3% de 25 son (aprox.) 0,3 Por tanto, solo el primer 5 tras la coma es válido.
El resultado final es pues: C = 25,5
0,3 +- 0,4
Escala = Unidad + Origen Grados C vs. K psia vs. psig

22. • Una medida no es un fin en si mismo, sino un
medio para algo...
• Ejemplos:
– “Tengo 12/8 de presión” (¿unidad? ¿error? ¿del aparato? ¿del
paciente?...)
– “Esta señora ha engordado 2 Kg en 2 semanas de embarazo”
La medida no es un proceso aislado
– “Esta señora ha engordado 2 Kg en 2 semanas de embarazo”
(¿medido con la misma balanza? ¿en las mismas condiciones? ¿con que error?)
– “Este bebé pesa 400 gr más que hace dos semanas” (¿con o sin
ropa? ¿antes o después de defecar?)
• ...Ni es un hecho aislado de un proceso más
global.

23. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

24. Sistema de medida
– Sistema : Conjunto de partes reunido
con una finalidad
– Medida: Ha sido definido
previamente
– De una manera menos formal,
sistema de medida es todo el
aparataje entre la planta de la que se
SISTEMA
FISICO
SISTEMA DE
MEDIDA
aparataje entre la planta de la que se
quiere obtener información y el
operario que la necesita.
Ante la dificultad de estudiar algo tan heterogéneo se divide a los
sistemas de medida en CANALES DE INSTRUMENTACIÓN

25. Sistemas de medida. Canales
• Canal de instrumentación:
La cadena de elementos que
van desde una variable física a
medir al dispositivo que
presenta el resultado.
• Es una división “lógica” , no
SENSOR
TRANSDUCTOR
SISTEMA
FISICO
• Es una división “lógica” , no
“física”. Pueden existir
elementos físicos que
pertenezcan a más de un
canal.
ACONDICIONAMIENTO
DE SEÑAL
TRANSDUCTOR
SECUNDARIO
ACTUADORES
FINAL DE
PROCESO
PRESENTACION
DE LA
INFORMACION

26. Esquema general de un canal de
instrumentación
Amplificación
Presentación
SENSOR
Acondicionamiento
Primario Secundario
USO
Transductor
(primario y
sucesivos)
Conversión
a señal
Aislamiento
AD/DA
Filtros
Otros....
Almacena-
miento
Transmisión
Control,....

27. Sistema de Instrumentación
Transductor
(primario y
sucesivos)
Conversión
a señal
Amplificación
Aislamiento
AD/DA
Filtros
Presentación
Almacena-
miento
Transmisión
SENSOR
Acondicionamiento
Primario Secundario
USO
sucesivos)
Filtros
Otros....
Transmisión
Control,....

28. Estructura general de un sistema de medida

29. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

30. Transductor
• Definición :
– “Dispositivo que acepta energía de una parte del sistema y la emite con
diferente forma a otra parte del mismo”
– “ Dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal
correspondiente pero de otra forma física distinta”
• Nomenclatura (cualquier conversor de energía)• Nomenclatura (cualquier conversor de energía)
• Bidireccionalidad: sensores y actuadores
• Transducción sucesiva
• Perturbación de lo que se mide: “carga del sistema”. Siempre existe
transferencia de energía.
• El transductor eléctrico

31. El transductor eléctrico
• Es el transductor por excelencia debido a:
– Gran disponibilidad
– Ganancias posibles (hasta 1010), con lo que se carga muy poco el sistema a
medir
– Múltiples recursos de tratamiento de la información (circuitos integrados)
– Múltiples recursos de almacenamiento y presentación
– Facilidad de transmisión– Facilidad de transmisión
• Pero no es el único tipo posible:
Neumáticos:
- Fuerza
Ópticos:
-EMI
-Bajo peso
-Integrables en
estructuras
Mecánicos:
-Menor coste
-Sin alimentación

32. Transductor. Terminología
Trnansductor
Transmisor
Sensor
Sonda
Galga
Son sinónimos con matices.
Existen normas:
Célula
Detector
Captador
X-metro
(Termómetro, tacómetro, ...)
•ISA S37.1 (Electrical Transducer
Nomenclature & Terminology), 1969
•ANSI MC 6.1-1975
Son bastante inútiles...

33. Clasificaciones de transductores
•Aporte de energía
–Pasivos (Moduladores)
–Activos (Generadores)
•Tipo de salida
–Analógicos
–Digitales
•Modo de medida
–Deflexión
•Variable de entrada:
–Comparación
•Variable de respuesta
(en eléctricos)
–Resistivos (R)
–Capacitivos (C)
–Inductivos (L)
–Generadores (V)
•Variable de entrada:
–Temperatura
–Presión
–Caudal
–Posición
–Tiempo
–pH
–Concentración de CO2
–etc. etc. etc....

34. Transductores analógicos y digitales

35. Deflexión y Comparación
• Estrictamente son términos aplicables al proceso de medida, no al equipo.
• Pero se diseñan equipos específicamente para ser usados según uno u otro
procedimiento.

36. Deflexión Comparación
Precisión mayor
La calidad es la del
patrón, no la del equipo
Tiempo de medida largo
Precisión menor
La calidad la determina el
equipo
Medidas instantáneas o Tiempo de medida largo
Medida puntuales
Medidas instantáneas o
rápidas
Medidas contínuas

37. Clasificaciones de transductores
•Aporte de energía
–Pasivos (Moduladores)
–Activos (Generadores)
•Tipo de salida
–Analógicos
–Digitales
•Modo de medida
–Deflexión
•Variable de entrada:
–Comparación
•Variable de respuesta
(en eléctricos)
–Resistivos (R)
–Capacitivos (C)
–Inductivos (L)
–Generadores (V)
•Variable de entrada:
–Temperatura
–Presión
–Caudal
–Posición
–Tiempo
–pH
–Concentración de CO2
–etc. etc. etc....

38. Capítulos del temario
Por la variable
a medir
Porbloqueslógicosdel
canaldeInstrumentación
Este es el enfoque
que se sigue en el
capítulo II del
temario
CONTENIDO
DE LA
ASIGNATURA
Porbloqueslógicosdel
canaldeInstrumentación
Este es el enfoque
que se sigue en el
capítulo IV del
temario
temario

39. Guión del tema
Definiciones Iniciales
• Instrumentación
– Qué es, para qué sirve, aspectos básicos
• Fundamentos metrológicos
– Medir, unidad, sistema de unidades, error– Medir, unidad, sistema de unidades, error
• Sistemas de medida
– Definición y propósito, canales de instrumentación,
diagrama de bloques de un canal de instrumentación
• Transductor y clasificación
– Definición, transductor electrónico, clasificación

40. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
DEFINICIONES INICIALES
Joaquín Sevilla Moróder
Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Pública de Navarra
Septiembre, 2012