Instrumentación 1

Instrumentación 1

1. Un instrumento de medición es un dispositivo capaz de suministrar una medida o de realizar una observación en el universo físico. Podemos clasificar a los instrumentos de medición, denominándolos de acuerdo con la variable del proceso que tratemos de medir, ya sea en forma directa o indirecta

   • La instrumentación es una especialidad referente a los instrumentos de medición, principalmente a los utilizados en procesos industriales y forma parte primordial dentro de un sistema enfocado al control de estos, por lo que generalmente un instrumentista es un especialista en instrumentación y control, con conocimientos de metrología industrial.
     • Un buen dominio de la especialidad redunda en una buena especificación y selección de la instrumentación óptima en un proceso industrial, lo cual contribuirá como un factor en el incremento de la calidad y eficiencia en la producción.
       • La Instrumentación como factor de aumento de calidad y eficiencia en la producción. Un proceso es una parte fundamental de una planta de manufactura, en la cual, el material o la energía es convertida a otras formas de material o energía, ejemplos de estos serían: cambio en presión, temperatura, velocidad, potencial eléctrico, etc.
         • Los procesos pueden ser continuos o procesos lote por lote: El Proceso es continuo, cuando el material es introducido y removido del proceso al mismo tiempo y el proceso una vez iniciado, no para, como son: las reacciones químicas, destilaciones, separaciones, etc.
           • En el proceso lote por lote el material se agrega a un contenedor; algún proceso se lleva a cabo; el producto es removido y se sigue una secuencia que puede parar o reiniciarse, como ejemplos son las bebidas alcohólicas, productos alimenticios, etc.
             • Un sistema es un conjunto de elementos ordenados que cumplen un objetivo, y uno solo de estos elementos no puede cumplir, por sí solo, el trabajo de todo el sistema. Control es la acción o conjunto de acciones llevadas a cabo para conformar una magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables, en un patrón determinado, deseado.
               • Entonces en un esquema general de control tenemos en principio que hacer una medición de la variable en un proceso y en base a esta medición tomar una decisión de sí este valor de la variable es el que deseamos o tomar una acción para llevar a la variable al valor que requerimos, así sucesivamente mantendremos el control de la variable.
                 • La regulación o manipulación de las variables que influencian el comportamiento de un proceso de una forma determinada, tiene como objetivo obtener de una manera eficiente un producto con una calidad y una cantidad deseadas.
                   • Las principales razones por las cuales se requiere del control de los procesos industriales son: la seguridad, estabilidad, optimización y la protección al medio ambiente.
                     • Seguridad de los procesos. En cuanto a la seguridad, se requiere preservar bajo cualquier condición la integridad del personal y el equipo involucrado en la operación de los procesos; Estabilidad de los procesos, se requiere asegurar las condiciones de operación de los procesos a través del tiempo,
                       • Para mantener en forma continua la calidad de los productos del proceso, dentro de los límites especificados; Optimización de los procesos, se requiere asegurar la calidad y el máximo beneficio económico en la operación de los procesos.
                         • Protección ambiental en la operación de los procesos, se hace necesario reducir a su mínima expresión el impacto ecológico de los efluentes del proceso, para cumplir con todas las normatividades aplicables. Las variables de un proceso pueden ser analógicas o digitales
                           • Ejemplos de señales analógicas:
                             • La metrología es ciencia de las mediciones y sus aplicaciones. NOTA La metrología incluye todos los aspectos teóricos y prácticos de las mediciones, cualesquiera que sean su incertidumbre de medición y su campo de aplicación. La metrología estudia la fiabilidad de la relación establecida entre cualquier magnitud y su patrón.
                               • Medición es el proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud. Magnitud es el atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes:
                                 • Básicas: Longitud, masa, tiempo. Derivadas: Velocidad, fuerza, calor Particulares: Concentración de etanol, resistencia eléctrica de un cable, calorías que aporta un alimento.
                                   • Características metrológicas de los instrumentos, dispositivos o sistemas de medición Rango. Región entre los límites en los cuáles una cantidad es medida, recibida o transmitida, expresada al establecer los valores de rango mínimos y máximos.
                                     • LRV (Valor de rango mínimo). El valor mínimo de la variable medida al que un dispositivo esta ajustado para medir. URV (valor de rango máximo). El valor máximo de la variable medida al que un dispositivo esta ajustado para medir. Diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo. Rango de las variables medidas.

2. Lista de las características metrológicas de los instrumentos que afectan las mediciones: La exactitud, La precisión, La resolución, La repetibilidad, La reproducibilidad, La linealidad, La histéresis, El error, La incertidumbre

   • Exactitud de medida, exactitud, es la proximidad entre un valor medido y el valor verdadero de un mensurando precisión de medida, precisión, es la proximidad entre las indicaciones o los valores medidos obtenidos en mediciones repetidas de un mismo objeto, o de objetos similares, bajo condiciones especificadas.
     • Es habitual que la precisión de una medida se exprese numéricamente mediante medidas de dispersión tales como la desviación estándar, la varianza o el coeficiente de variación bajo las condiciones especificadas.
       • Condición de repetibilidad de una medición, condición de repetibilidad, es la condición de medición, dentro de un conjunto de condiciones que incluye el mismo procedimiento de medida, los mismos operadores, el mismo método de medida, las mismas condiciones de operación y el mismo lugar, así como mediciones repetidas del mismo objeto o de un objeto similar en un periodo corto de tiempo.
         • error sistemático de medida, error sistemático, componente del error de medida que, en mediciones repetidas, permanece constante o varía de manera predecible. sesgo de medida, sesgo, valor estimado de un error sistemático error aleatorio de medida, error aleatorio, componente del error de medida que, en mediciones repetidas, varía de manera impredecible
           • incertidumbre de medida, incertidumbre, parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza. NOTA 1
             • La incertidumbre de medida incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos, tales como componentes asociadas a correcciones y a valores asignados a patrones, así como la incertidumbre debida a la definición del mensurando. Algunas veces no se corrigen los efectos sistemáticos estimados y en su lugar se tratan como componentes de incertidumbre. NOTA 2
               • El parámetro puede ser, por ejemplo, una desviación típica, en cuyo caso se denomina incertidumbre típica de medida (o un múltiplo de ella), o una semi amplitud con una probabilidad de cobertura determinada.
                 • Sensibilidad de un sistema de medida, sensibilidad, cociente entre la variación de una indicación de un sistema de medida y la variación correspondiente del valor de la magnitud medida. resolución, mínima variación de la magnitud medida que da lugar a una variación perceptible de la indicación correspondiente
                   • Estabilidad de un instrumento de medida, estabilidad, Aptitud de un instrumento de medida para conservar constantes sus características metrológicas a lo largo del tiempo. deriva instrumental, variación continua o incremental de una indicación a lo largo del tiempo, debida a variaciones de las características metrológicas de un instrumento de medida
                     • La exactitud de la medición es la concordancia entre la media de los valores obtenidos experimentalmente y el valor de referencia. Es función de la repetibilidad y de la calibración del instrumento.
                       • La precisión es el grado de concordancia entre los valores de una serie de determinaciones obtenidas de repetir la medición y se expresa como la desviación estándar relativa o el coeficiente de variación.
                         • La precisión es función de la repetibilidad y la reproducibilidad. La resolución de un instrumento es el mínimo valor confiable que puede ser medido en ese instrumento. Exactitud de la medición
                           • La repetibilidad es la precisión de resultados de medición expresada como la concordancia entre determinaciones o mediciones independientes realizada bajo las mismas condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).
                             • La reproducibilidad de la medición es la precisión de resultados de medición expresado como la concordancia entre determinaciones independientes realizadas bajo diferentes condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc). Repetibilidad y reproducibilidad
                               • 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.
                                 • Histéresis Es la medida de la diferencia en respuesta de un dispositivo o sistema al incrementar la señal de entrada de un valor mínimo a un valor máximo y, con respecto a cuando se decrementa de un máximo a un mínimo sobre el mismo rango.
                                   • El error es la diferencia algebraica entre el valor indicado y el valor verdadero de la variable medida. Existen diferentes tipos de errores: Error de cero Error de span Error de linealización
                                     • Un instrumento tiene un error de cero cuando todas las indicaciones del instrumento son consistentemente altas o bajas a través del rango completo del instrumento, cuando es comparado con la salida deseada.
                                       • En el error de span, la desviación del valor ideal varía en diferentes puntos a lo largo del rango del instrumento. Normalmente se incrementa, cuando la señal de entrada se incrementa.

3. Errores de span y cero combinados

   • El Error de linealidad es cuando el resultado de la salida no presenta una línea recta con respecto al valor de entrada. El error de no linealidad puede ser corregido durante la calibración si el instrumento tiene un ajuste de no linealidad. Generalmente se recomienda tomar 5 puntos.
     • Un instrumento de medición es un dispositivo empleado para efectuar mediciones por si solo o como integrante de otro equipo o sistema de medición. Las características metrológicas de un instrumento están definidas en función de los factores que afectan su medición, como ejemplo: Exactitud: ± 0.2% de span calibrado. Aquí se incluyen efectos combinados de lo siguiente: Repetibilidad: ± 0.05% de span calibrado Linealidad: ± 0.1% de span calibrado Histéresis: ± 0.05% de span calibrado
       • Campos de aplicación de la instrumentación industrial: Ciencias exactas. Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia. Investigación científica. Manufactura. Control de calidad. Inspección y vigilancia. Técnica. Forma parte del ciclo de mejora continua del sistema de gestión de la calidad de las organizaciones. Es un pilar que soporta la calidad.
         • Objetivos de la instrumentación industrial: Con la finalidad de evaluar la eficiencia de los procesos. Poder comparar mediciones con patrones de referencia. Poderse comparar con otros laboratorios. Interpretar resultados de la ciencia, la ingeniería, el comercio, la industria. Tener un criterio objetivo para la adquisición de equipo. Seleccionar el equipo adecuado para un proceso de medición específico.

4. La imperfección natural de la realización de las mediciones, hace imposible conocer con certeza absoluta el valor verdadero de una magnitud: Toda medición lleva implícita una incertidumbre, que de acuerdo al Vocabulario Internacional de Metrología VIM, es un parámetro que caracteriza la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al mensurando.

   • Anteriormente bastaba con conocer y aplicar los conceptos de error y análisis de errores, el error es el resultado de una medida menos el valor verdadero del mensurando, actualmente se requiere la aplicación del concepto de la Incertidumbre de medida
     • A la hora de expresar el resultado de una medición de una magnitud física, es obligado dar alguna indicación cuantitativa de la calidad del resultado, de forma que quienes utilizan dicho resultado puedan evaluar su idoneidad. Sin dicha indicación, las mediciones no pueden
       • ¿Qué nos da a conocer la incertidumbre? Caracteriza la calidad del resultado de una medición. Refleja la imposibilidad de conocer exactamente el conocer exactamente el valor del mensurando.
         • Corresponde a la duda del resultado de medición, una vez eliminados o corregidos los errores detectados. Las fuentes de la incertidumbre de medición son: Principio de medida. Método de medida. Procedimiento de medida. Correcciones por errores detectados. Correcciones por cantidades de influencia. Valores inexactos de patrones.
           • Muestra no representativa del mensurando. Aparatos de medición. Variables no controladas (temperatura, humedad, presión atmosférica, corrientes de aire, variación energía eléctrica, variación de flujo de agua, etc.).
             • Requisitos de la norma NMX EC 17025: 2017, relativos a la incertidumbre de medición. Los laboratorios de ensayo y calibración deberán tener y aplicar procedimientos para estimar la incertidumbre de medición
               • El laboratorio debe al menos intentar identificar todos los componentes de la incertidumbre y hacer una estimación razonable basada en el conocimiento del desempeño del método y del alcance de la medición y deberá hacer uso, por ejemplo, de la experiencia previa y de la validación de los datos.
                 • Cuando se esté estimando la incertidumbre de medición deben ser tomados en cuenta, todos los componentes de la incertidumbre que sean de importancia para la situación dada; usando métodos apropiados de análisis.
                   • La calibración de un instrumento es el conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas, la relación entre valores indicados por un instrumento de medición o sistema de medición o los valores representados por una medida materializada y los valores correspondientes de la magnitud, realizada por los patrones.
                     • En forma simple se define como la comparación de las indicaciones de un instrumento contra un patrón, sin efectuar ningún ajuste. Con una calibración adecuada de un sistema de medición se consiguen mediciones mas exactas, con éstas se logra un buen control del proceso de medición y con esto tendremos seguridad y los costos de medición más bajos.
                       • Definiciones de Patrones de calibración según la NMX Z 055 vocabulario de Metrología Patrón (de medición) Medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o más valores de una magnitud para utilizarse como referencia.
                         • Patrón internacional (de medición) Patrón reconocido por un acuerdo internacional para utilizarse internacionalmente como base para asignar valores a otros valores de la magnitud concerniente.
                           • Patrón nacional (de medición) Patrón reconocido por una decisión nacional en un país, que sirve como base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente. Patrón primario Patrón que es designado o reconocido ampliamente como un patrón que tiene las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor es aceptado sin referencia a otros patrones de la misma magnitud.

5. Patrón secundario Patrón cuyo valor es establecido por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.

   • Patrón de referencia Patrón, en general de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar dado o en una organización determinada, del cual se derivan las medidas realizadas en dicho lugar.
     • Patrón de trabajo Patrón que es usado rutinariamente para calibrar o controlar las medidas materializadas, instrumentos de medición o los materiales de referencia. Patrón viajero Patrón, algunas veces de construcción especial, destinado a ser transportado a distintos lugares.
       • Trazabilidad de la medición Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón por la cual pueda ser relacionado a referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o internacionales por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo todas las incertidumbres
         • Equipos para la calibración de presión: Patrones de trabajo: Manómetros Columnas de H 2 O o Hg Balanza de pesos muertos Puente de Wheatstone
           • Calibradores neumáticos
             • Balanza de pesos muertos
               • Calibrador de flujo
                 • Calibrador de presión
                   • Para la medición local utilizamos instrumentos como: manómetros, mirillas de nivel, mirillas de flujo o termómetros, según estemos midiendo la variable de presión, nivel, flujo o temperatura.
                     • Para la medición remota, además de los instrumentos de medición, utilizamos: Transmisores neumáticos, transmisores eléctricos o transmisores digitales, dependiendo del uso que le vayamos a dar a la señal transmitida.
                       • Una hoja de datos es una tabla donde se introducen los datos de proceso mínimos necesarios para efectuar la especificación de un instrumento, como pueden ser: temperatura normal y máxima de operación, presión normal y máxima de operación, material de la tubería, tipo de fluido, diámetro de la tubería, etc.
                         • En un proyecto, generalmente estos datos se toman del diagrama de flujo de proceso y del diagrama de tubería e instrumentación, en el que se indican las condiciones de operación de los puntos importantes del proceso y las características de los recipientes y de las líneas de tubería.

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