CAPITULO I

Apuntes de instrumentacin Industrial.

Siendo la palabra el vehculo de la instruccin, es de los primeros cuidados del Director que la diccin sea pura, clara y correcta: es decir, que no se admita el barbarismo, ni el solecismo; que se d el valor a los acentos, y se llamen a las cosas por sus propios nombres sin alterarlos.

Simn Bolvar.

CAPITULO I

CONCEPTOS GENERALES.

1 INSTRUMENTACIN

La instrumentacin es la tcnica de aplicar aparatos de medicin o/y control a un sistema o proceso, con el propsito de determinar, calificar, cuantificar y controlar sus variables fsicas y qumicas.

El campo de aplicacin de la instrumentacin es tan variado y amplio como las aplicaciones de la ingeniera en el mundo del ser humano contemporneo entre otras tenemos por ejemplo:

Industria: fabricas de materias primas, industria petrolera, laminacin, servicios industriales, etc.

Campo militar: artillera, proyectiles teledirigidos, aeronutica, etc.

Campo de transporte: Automviles, barcos, aviones, submarinos.

Medicina: Atencin instrumental de enfermos, terapia intensiva, farmacia.

Investigacin: Laboratorios qumicos, fsicos y biolgicos.

En el hogar: Cocinas, neveras, lavadoras, aires acondicionados...

La importancia de la instrumentacin se considera principalmente en los procesos industriales, y las ventajas que representa son principalmente econmicas: mejores productos, menor precio de costo, menor tiempo de operacin y mayor seguridad del personal y del equipo. Su aplicacin correcta conlleva a:

Ahorro directo de material: Mantenimiento uniforme la calidad del producto, y reduciendo el desperdicio.

Estimacin de Costos y facturacin: Los instrumentos registradores conforman la base para la recoleccin sistematizada de datos.

Seguridad de la Planta: Se utilizan para detectar la presencia de gases y vapores txicos y de llamas. No solamente detectan, sino que hacen funcionar alarmas, cierran vlvulas de combustibles, accionan sistemas de extincin o ponen en marcha sistemas auxiliares de ventilacin. Adems de cumplir la funcin de la medicin a distancia.

Coordinacin y control mediante Instrumentacin: Solo una instrumentacin adecuada puede conllevar a una planta en operacin automtica. Es imposible un automatismo sin una captacin y manipulacin de las variables del proceso mediante instrumentacin.

1.1 DEFINICIONES BASICAS.

Como en cualquier rea del conocimiento, la instrumentacin industrial, tiene terminologas particulares (jerga). Tales definiciones, con el correr del tiempo y gracias a recomendaciones de grupos, asociaciones de fabricantes de equipos y organismos internacionales se han convertido en estndares. Entre muchas definiciones las ms inmediatas son:

1.1.1 Medicin: Es la extraccin de informacin de las variables o parmetros que actan en los procesos o sistemas.

1.1.2 Rango o Campo de Medida: Espectro de valores de la variable medida que estn comprendidos dentro de los lmites superior o inferior de la capacidad de medida o de transmisin de instrumento. Esta representado por dos valores extremos. Ejemplo: Un termmetro que mide entre 29 y 45 C.

1.1.3 Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores extremos del rango. El alcance expresa con un solo numero, dado en unidades del proceso. Ejemplo: 16 C. El alcance tambin es conocido con los trminos Gama o Amplitud, y con el termino Span del idioma ingles.

1.1.4 Caractersticas Estticas: Son aquellos que deben considerarse cuando el instrumento es usado para medir una condicin que no varia con el tiempo, o sea, en condiciones de rgimen permanente.

1.1.5 Error esttico: Es la diferencia algebraica entre el valor ledo o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida.

1.1.6 Sensibilidad: Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, viene dada en tanto por ciento de la amplitud.

1.1.7 Zona Muerta: Es el campo de valores de la variable que no hacen variar la seal de salida del instrumento. Se expresa en tanto por ciento de la amplitud.

1.1.8 Repetibilidad: Es la capacidad de reproduccin de las precisiones del indicador del instrumento, al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variacin, recorriendo toda la gama. Se considera en general su valor mximo y se expresa en tanto por ciento de la gama.

1.1.9 Histresis: Es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el indicador del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento de la gama del instrumento. En todo caso el valor presentado en el indicador del instrumento depende de los valores precedentes.

1.1.10 Precisin: Es la tolerancia de medidas o de transmisin del instrumento y define los limites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea con condiciones normales de servicio. Existen varias formas de expresarlos:

Tanto por ciento del alcance.

Tanto por ciento del Rango mximo.

Tanto por ciento de la lectura efectuada.

Directamente, en unidades de la variable medida.

1.1.11 Caractersticas Dinmicas: Son aquellas que deben considerarse cuando el instrumento mide variables en condiciones cambiantes en funcin del tiempo. Este comportamiento dinmico se analiza provocando cambios en conocidos y controlables en la variable. Los cambios ms comunes son:

Cambio en Escaln.

Cambio Lineal o rampa.

Cambio Sinuosidad.

Cambio en impulso.

1.1.12 Velocidad de Respuesta: Es la rapidez con la cual el instrumento responde a cambios en la cantidad medida.

1.1.13 Retardo de Medicin: Un retardo en la respuesta del instrumento a cambios en la variable medida.

1.1.14 Tiempo Muerto: Es un tipo de retardo donde el instrumento comienza a responder solamente cuando la variable ha cambiado en una magnitud lo suficientemente grande para vencer la inercia. El tiempo muerto depende de la velocidad con que la variable medida cambie y de la zona muerta del instrumento.

1.1.15 Error Dinmico: Es la diferencia entre el valor real de la cantidad que esta variando con el tiempo y el valor indicado por el instrumento, si se asume que no hay error esttico. Hay error dinmico en todos los instrumentos, ya que se enfrentan a una transferencia de energa que requiere tiempo. Constituye un error adicional al error esttico.

1.1.16 Fidelidad: Es el grado de acercamiento con el cual un instrumento indica los cambios en la variable medida sin aparecer errores dinmicos.

1.1.17 Deriva: Es una variacin en la seal de salida del instrumento producida por una variable ajena al proceso medido. Tpicamente es atribuida a condiciones ambientales. Ejemplo 25 mV/ C para instrumentos electrnicos.

2 SISTEMAS DE MEDICIN.

Un sistema de medicin consta de varios componentes, y como en todos los sistemas algunos son indispensables y otros complementarios, pero en todo caso los elementos o bloques funcionales considerados como indispensables o principales son:

dispositivo de entrada, o transductor

acondicionador de seal o dispositivo de procesamiento y

dispositivo de salida o indicador.

2.1 EL DISPOSITIVO DE ENTRADA.

Es el dispositivo que capta la variable fsica o qumica a medir y la transforma en una energa equivalente capaz de ser manipulada por algn medio o tecnologa. La tendencia actual y del futuro es el uso de la electrnica, por lo tanto, el dispositivo de entrada debe transformar la energa de la variable fsica (calor, presin, caudal, etc.) en una variable elctrica. El dispositivo de entrada tambin es conocido con el termino de transductor, especialmente cuando se analiza desde el punto de vista de energa de entrada y salida. De esta manera un concepto formal de transductor es: El transductor es un dispositivo que toma una forma de energa de un sistema, la transforma y transfiere a otro sistema. En el caso de la instrumentacin electrnica esta transmisin de energa puede ser de mecnica, qumica, ptica, radiante o trmica a energa elctrica.

Es muy amplia la variedad de clasificaciones posibles de los Transductores, entre muchos casos tememos: a) Segn su aplicacin, b) Segn el mtodo de conversin de energa, y c) segn la naturaleza de la seal, etc. Todas estas clasificaciones terminan por solaparse y por lo general pueden llegar a refutarse, sin embargo se comparte la opcin presentada por varios autores en aplicar una clasificacin de los transductores elctricos de acuerdo a los principios elctricos en que se basan, de manera que se obtiene la siguiente clasificacin:

2.1.1 Transductores que requieren potencia externa, o pasivos. Basados en la variacin de su resistencia, capacitancia, o inductancia.

2.1.2 Transductores generadores, o activos. Dispositivos que producen un voltaje o una corriente, digital o analgica al ser estimulados por la energa del sistema medido.

La seleccin del transductor apropiado es quizs el ms importante paso para la obtencin de resultados exactos. Conviene hacer las siguientes preguntas para evaluar la seleccin:

Cul es la cantidad fsica por medir?

Cul principio de transductor es el mejor para medir esta cantidad?

Qu exactitud se requiere en esta medicin?

Los aspectos a evaluar en el entorno donde se va a aplicar el sistema de medicin son:

Rango de la medicin, sensibilidad, orden de magnitud.

Efectos de la no linealidad, histeresis, respuestas en frecuencia, resolucin, velocidad de respuesta.

Condiciones ambientales: Efectos de la temperatura, aceleracin, golpes y vibraciones. Resistencia a la corrosin, vibracin, esfuerzos mecnicos.

Conexiones elctricas y mecnicas, condiciones de montaje, logstica. Compatibilidad con el equipo asociado: Condiciones de balance de peso, tolerancia de la sensibilidad, acoplamiento de impedancias, resistencia de aislamiento.

2.2 EL ACONDICIONADOR DE SEAL.

Consiste en un sistema, electrnico o neumtico, que amplifica, filtra, modifica y otorga un formato a la seal entregada por el dispositivo de entrada, para que sea manejado y entendido por el dispositivo de salida.

2.3 EL DISPOSITIVO DE SALIDA.

Puede ser un simple medidor indicador de aguja, un osciloscopio, un graficador para presentacin visual o una computadora digital para el procesamiento de los datos o proceso de control.

Figura 1.1: Represencacin funcional de un instrumento.

2.4 CALIBRACIN DE UN INSTRUMENTO.

La calibracin de un instrumento es la operacin mediante la cual, se aplica al instrumento seales de entrada equivalentes a la variable medida, con el fin de obtener una respuesta correspondiente a cada valor conocido aplicado y suprimir los errores, si los hubiera.

Debido a la imperfeccin de los instrumentos y las limitaciones de los procesos, la mediciones realizadas nunca sern exactas, es decir, no habr una coincidencia con el valor verdadero, sino una aproximacin. Esta aseveracin implica que a una medida se le debe anexar los limites en donde se encuentra, si la medida en de una temperatura de 37,5 C, por ejemplo, lo correcto es indicar que se tiene una lectura de 37,5 C + 0.1%, siendo el porcentaje una indicacin de la estimacin del error cometido.

La estimacin de los errores es importante para la correcta realizacin de la calibracin de instrumentos. La estimacin del error de un instrumento conlleva a definir su clase, categora, es decir el grado de calidad de este instrumento frente a otro.

La calibracin de un instrumento solo minimiza los errores sistemticos, es decir los errores producidos por las imperfecciones funcionales del instrumento de medida, ya que es un procedimiento donde se debe aislar al instrumento. Los errores cometidos por la aplicacin del mtodo de medicin, ubicacin y condiciones del proceso son ajenos al procedimiento de calibracin como tal. Su ajuste no debe modificar al instrumento sino a las condiciones y causas que producen el error. Un ejemplo de esto es el hecho de utilizar un termmetro electrnico para medir la temperatura corporal, donde evidentemente para medir la temperatura interna del paciente se debe ubicar al termmetro en puntos clave del cuerpo que permiten la mayor transferencia del calor desde el interior, y no modificar los ajustes del instrumento.

En la instrumentacin industrial no basta con una calibracin puntual del instrumento, sino que se debe practicar una verificacin de la calibracin en toda la escala y rango del instrumento, generndose curvas de calibracin que dejan al descubierto errores como los siguientes:

2.4.1 Error de Cero: Sucede cuando el instrumento tiene diferencia entre el valor indicado o transmitido con respecto a una seal de entrada equivalente al mnimo valor del rango. Este error es aditivo para todos los valores de la escala, y de hecho su ajuste consiste en desplazar linealmente el rango para obtener una lectura correcta en el punto cero. Ver figura 1.2.a

Figura 1.1: Errores de calibracin.

2.4.2 Error de Multiplicacin: Se observa cuando el instrumento indica una lectura correcta en un punto cualquiera de la escala pero existe un error que crece proporcionalmente con la distancia a ese punto. Este error es tpico en instrumentos electrnicos que requieren grandes niveles de amplificacin. Ver figura 1.2.b

2.4.3 Error de Angularidad: Es un error que se manifiesta cuando no hay una respuesta lineal del instrumento, y por lo tanto dos puntos pueden no presentar error, pero un tercero si. Ver figura 1.2.c.

3 SIMBOLOGIA EN LA INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL.Para representar una planta o proceso industrial, es indispensable que se pueda esquematizar en un solo diagrama los diversos sistemas que conforman a la misma, sistemas elctricos, neumticos, mecnicos y adems se pueda formar una idea clara de cmo opera y se controla a la misma. Esta gran variedad de sistemas dio pie para el diseo de una simbologa de instrumentacin. La Sociedad de Instrumentacin Americana (ISA) ha normalizado la simbologa para instrumentacin industrial, siendo esta un estndar difundido por todo el mundo.

Los smbolos definidos por esta sociedad, son compuestos, hay que reconocerlos mediante una regla en el orden de las letras y en la forma del contorno. Mediante esta combinacin han podido incluir dentro de un smbolo muy simple una variedad de informacin que va desde el tipo de variable que se mide, hasta la funcin de control que se ejecuta y el sitio fsico donde esta ubicado el instrumento. Por ejemplo, el conjunto de smbolos mostrados en la figura 1.3:

3.1 INTERPRETACIN DEL PLANO DE INSTRUMENTACIN:

En la figura 1.3 se presenta como ejemplo una seccin de un plano de instrumentacin con simbologa ISA. La interpretacin ms conveniente de este se describe a continuacin: Se muestra a un transmisor de caudal (1) que tiene incorporada la indicacin y la integracin del flujo. Se encuentra en el campo y pertenece al sistema o proceso 1.01.1. Su seal de salida es neumtica (2) y va hasta un controlador de flujo (3), que adems tiene incorporado un registrador. Este equipo es discreto (independiente) y esta ubicado en un lugar para ser manipulado por el personal de operaciones (accesible al operador). La salida es elctrica (4) y va hasta una vlvula de control con servomotor (actuador) neumtico (5), con un cuerpo de tres vas. La vlvula es del tipo aire para cerrar y si se queda sin seal de comando desde el controlador FRC, se quedara fija permitiendo el paso del fluido desde A hacia C (7), es decir que cuando tenga seal desde el FRC aumentara el paso del fluido desde A hacia B y lo restringir desde A hacia C. La vlvula controla el flujo del proceso principal de la planta (6).

Figura 1.3: Ejemplo de un plano de instrumentacin con simbologa ISA.

4 NORMAS Y NORMALIZACIN

La instrumentacin industrial se ejecuta en dos grandes actos, medir y controlar. En el caso de medir, la normalizacin esta inmersa desde las unidades utilizadas hasta el mtodo aplicado. Es imposible aislarse del mundo y utilizar unidades propias o mtodos de medicin exclusivos. Es necesario que las medidas sean reproducibles en cualquier sitio del planeta con el mnimo de error. Para ello existe la norma, para reglamentar, para equilibrar, para mecanizar y por supuesto para legislar.

La normalizacin es el resultado de un proceso continuado de comunicacin entre productores y consumidores. Es el producto de la industrializacin y el intercambio comercial internacional. Hoy por hoy, la normalizacin priva sobre la calidad de los productos. Alguien dijo que es preferible un producto limitado en calidad pero con buenas especificaciones tcnicas a un producto de caractersticas imprecisas o desconocidas.

La normalizacin es parte integral de la instrumentacin industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o mtodo de medicin. La normalizacin se convierte entonces en una herramienta para el diseo, especificacin, organizacin y direccin.

4.1 CONCEPTOS EN NORMALIZACIN:

Los conceptos generales ms aplicados en normalizacin son:

4.1.1 Norma: Es la solucin que se adopta para resolver un problema reiterativo, tambin es catalogada como una referencia bajo la cual se juzga un producto o una funcin. La promulgacin de una norma es un acto de eleccin razonado y colectivo.

4.1.2 Especificacin: Es una exigencia o requisito que debe cumplir un producto, un proceso o un servicio. Una especificacin puede ser una norma, o parte de una norma.

4.2 OBJETOS DE LA NORMALIZACIN:

Prcticamente todo puede estar sometido a norma. Sin restar las actividades creativas, como el arte, en donde en algunos casos se establecen normas como bases de concursos. En general los objetos fsicos y no fsicos que pueden ser objeto de normalizacin son:

Cantidades y unidades.

Smbolos y signos.

Nombres y etiquetas.

Productos (normas de calidad).

Mtodos. (Mtodos de anlisis y pruebas).

Funciones. ( Cargos, actividades, competencias y atribuciones.).

4.3 ESPACIOS DE LA NORMALIZACIN.

La normalizacin es tridimensional, fundamentalmente a lo que se refiere a su aplicacin. Tales dimensiones son:

4.3.1 El dominio: constituido por el sujeto, o actividad sometida a norma. Entre ellas podemos destacar a: La agricultura, la industria alimenticia, las comunicaciones, la instrumentacin industrial, la siderrgica etc.

4.3.2 Los objetos: Que son los aspectos que se incluyen en las normas y que en conjunto establecen el proceso o producto normalizado.

4.3.3 La jerarqua o nivel de la norma: La cual delimita su aplicabilidad, mbito o legalidad. De manera que se pueden tener normas de empresas, de asociaciones de empresas, normas nacionales, internacionales y mundiales.

Como ejemplo a las normas de asociaciones de empresas mas conocidas se pueden citar a las normas:

API: Instituto Estadounidense del Petrleo.

ASME: Sociedad norteamericana de ingenieros de manufactura.

ASTM: Sociedad Norteamericana de pruebas de Materiales.

IEEE: Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos.

FF: Fundacin para Buses de Campo.

ISA: Sociedad Americana de Instrumentacin

Como ejemplo de normas Nacionales se pueden citar a:

ANSI: Instituto Estadounidense de Normas.

FCC: Comisin Federal de Comunicaciones.

CONATEL: Comisin Nacional de Telecomunicaciones.

COVENIN: Comisin Venezolana de Normalizacin.

DIN: Normas industriales Alemanas.

Como ejemplo de normas internacionales tenemos:

CEN: Organismo Europeo de Normalizacin.

ISO: Normas internacionales (igualdad). Asociacin libre por cualquier pas.

Cuando una empresa somete su producto a una prueba de calidad y aprueba, el organismo evaluador autoriza a la empresa a utilizar el sello de calidad, a fin de que el pblico consumidor reconozca a este producto como un articulo de calidad. Algunos de estos sellos de calidad son:

CE: para la comunidad Econmica Europea.

SA: Para los productos Canadienses.

NORVEN. Para productos venezolanos.

UL. Para productos Estadounidenses.

Las normas son documentos. En ellos se plasma la experiencia de muchas personas e instituciones. Su importancia fundamental esta en la homogeneizacin de la calidad de los productos, aplicacin correcta de mtodos y tecnologas y la preservacin del acervo tecnolgico y del ambiente.

PREGUNTAS DE REPASO:

1. Haga una lista de los elementos sensores que como mnimo posee un vehculo automotor. Indique cuales tienen funciones de indicador, de control, y de alarma.

2. Haga una lista de los conocimientos bsicos que debe poseer un instrumentista de plantas industriales.

3. Indique la diferencia o las diferencias entre un ajuste y una calibracin de un instrumento. Cite un ejemplo.

PARA SABER MAS:

1. Investigue lo referente a la COMPANSION de seales digitales, y realice una asociacin con el proceso de calibracin de un instrumento. Explique como este procedimiento puede favorecer la ampliacin de la sensibilidad de un instrumento digital.

Dispositivo de entrada

Acondicionador

de seal

Indicador

proceso

Seres

humanos

Sistemas de control.

Instrumento

b) Error de multiplicacin

a) Error de cero

c) Error de angularidad.

entrada

Salida

Salida

entrada

Salida

entrada

FRC

1.01.1

FQIT

1.01.1

A

B

C

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

PGINA 18Conceptos Generales .