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ECCI: ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

Guía No. 1 Fecha: Estudiante: ________________ Código:_________________ Objetivo general: Conocer la terminología unificada empleada por los fabricantes, usuarios y organismos que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial y que todos empleen el mismo lenguaje Objetivos específicos: 1. Conocer y definir los diferentes conceptos utilizados en instrumentación

y control. 2. Comprender, asociar y comparar, los diferentes conceptos, para

determinar sus diferencias. 3. Aplicar y experimentar los conceptos en a la implementación de un

instrumento de medida. 4. Experimentar los procesos de caracterización y calibración de un

instrumento de medida MARCO TEORICO: Definiciones en control Los instrumentos de control empleados en las industrial de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología, los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados. La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) en su norma PMC 20-2-1970, Recomendación ANSI/ISA S 51.1 de 1979, Revisión 1993, Aprobación 1995. Conceptos abordados por la norma Campo de medida

Alcance Error Incertidumbre de la medida Exactitud Precisión Zona muerta Sensibilidad Repetibilidad Histéresis Campo de medida con elevación de cero Campo de medida con supresión de cero Elevación de cero Supresión de cero Deriva Fiabilidad Resolución Trazabilidad Ruido Linealidad Estabilidad Temperatura de servicio Vida útil de servicio Reproductibilidad Respuesta frecuencial 1.2 Definiciones en control

Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados:

- Indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control.

La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995. Se representan en la figura 1.3 y son las siguientes (figuran entre paréntesis los términos ingleses equivalentes).

1.2.1 Intervalo de medida (range)

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. Ejemplo: Un manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25 bar con señal de salida 4-20 mA c.c. o un instrumento de temperatura de 100-300 °C.

Otro término derivado es el de dinámica de medida o rangeabilidad (rangeability), que es el cociente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento. Por ejemplo, una válvula de control lineal que regule linealmente el caudal desde el 2 % hasta el 100 % de su carrera tendrá una rangeabilidad de 100/2 = 50.

1.2.2 Alcance (span)

Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el transmisor de presión y de 200°C para el instrumento de temperatura.

1 .2.3 Error

El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas 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. Es decir:

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

Valor verdadero

Si el proceso está en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá en mayor o menor grado el llamado error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento): su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina), etc. El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.

Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos.

Si el límite del error relativo de cada instrumento es ± a, ± b, ± c, ± d, etc., el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores, es decir:

± (a + b + C + d + ...)

Ahora bien, como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como error total de una medición la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos, es decir, la expresión:

... d c b a 2222 ++++±

Por ejemplo, el error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor electrónico de 4-20 mA c.c., un receptor y un integrador electrónicos es de:

Elementos del lazo Errores

Diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2 %

Transmisor electrónico de 4-20 mA c.c. …………………………………………………0,5 %

Receptor electrónico .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . . .. 0,5 %

Integrador electrónico ……………………………………………………………..…………0,5 %

Error total de la medición = 5.0 0.5 0.5 2 2222 +++± 2,18 %

1.2.4 Incertidumbre de la medida (uncertainty)

Cuando se realiza una operación de calibración, se compara el instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error (diferencia entre el valor leído por el instrumento y el verdadero valor medido con el aparato patrón) se encuentra dentro de los límites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato patrón no permite medir exactamente el valor verdadero (también tiene un error) y como además en la operación de comparación intervienen diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la llamada incertidumbre de la medida o incertidumbre (uncertainty).

Entre las fuentes de incertidumbre se encuentran:

- Influencia de las condiciones ambientales.

- Lecturas diferentes de instrumentos analógicos realizadas por los operadores.

- Variaciones en las observaciones repetidas de la medida en condiciones aparentemente idénticas.

- Valores inexactos de los instrumentos patrón.

- Muestra del producto no representativa. Por ejemplo, en la medida de temperatura con un termómetro patrón de vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del proceso cuya temperatura desea medirse.

Así pues, la incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. En el cálculo de la incertidumbre intervienen la distribución estadística de los resultados de series de mediciones, las características de los equipos (deriva en función de la tensión de alimentación, o en función de la temperatura...), etc.

Para que la comparación sea correcta, el procedimiento general es que la medida del patrón de medida sea más preciso que el aparato que se calibra (traceado de presión ISA S 37.3).

Para el cálculo de la incertidumbre se sigue el documento n° 19 de la W.E.C.C. donde las variables se consideran aleatorias, así como las variables que afectan de forma sistemática al valor que se mide.

Hay dos métodos A y B de evaluación de la incertidumbre.

Método A. La evaluación de la incertidumbre estándar se efectúa por análisis estadístico de la serie de observaciones repetidas, considerando que la distribución de probabilidades de las medias de dichas variables es la curva de Gauss o de distribución normal en forma de campana. De este modo, la media aritmética es el valor estimado de la variable, mientras que la desviación estándar representa el grado de dispersión de los valores de la variable que se miden repetitivamente. .

Así, en una serie de medidas repetitivas de la variable, el valor estimado x viene dado por la media aritmética o promedio de los valores observados:

Cuando el número de medidas repetitivas es menor de 10, la desviación típica debe multiplicarse por un factor multiplicador:

El nivel de confianza de la incertidumbre viene dado multiplicando la incertidumbre por un factor K. El nivel de confianza recomendado por la W.E.C.C. es del 95 % Y se obtiene multiplicando la incertidumbre por el valor K = 2.

Método B. La incertidumbre se determina en base a la información disponible procedente de varias fuentes, tales como:

- Datos de medidas anteriores.

- Experiencia y conocimiento de los instrumentos.

- Especificaciones del fabricante.

- Valores de incertidumbre de manuales técnicos.

El método es perfectamente fiable y suple al método A en los casos en que el número de observaciones sea pequeño.

Si se conocen los valores máximos (al) y mínimos (a2) de la variable X, para K = 1 (100 % confianza), su valor estimado es:

Cuando se dispone de una sola medida se toma su valor como valor estimado de la variable, y como valor de la incertidumbre, la incertidumbre típica asociada.

1.2.5 Exactitud (accuracy)

La exactitud (accuracy) es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.

En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. El grado de conformidad independiente es la desviación máxima entre la curva de calibración de un instrumento y una curva característica especificada, posicionada de tal modo tal que se reduce al mínimo dicha desviación máxima.

La exactitud (accuracy) define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado (normalmente 1 año). La exactitud 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. Hay varias formas para expresar la exactitud:

a) Tanto por ciento del alcance, campo de medida o range. Ejemplo: en el instrumento de temperatura de la figura 1.3, para una lectura de 150°C y una exactitud de ±0,5 %, el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 ± 0,5 x 200/100 = 150 ±1, es decir, entre 149 y 151°C.

b) Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: exactitud ±1 °C;

c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: exactitud de ±1 % de 150°C, es decir, ±1,5 °C;

d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: exactitud de ±0,5 % de 300°C = ±1,5 °C;

e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de la escala del instrumento de la figura 1.3 es de 150 mm, la exactitud de ±0,5 % representará ±0,75 mm en la escala.

La exactitud varía en cada punto del campo de medida, si bien el fabricante la especifica, en todo el margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manómetro puede tener una exactitud de ±1 % en toda la escala y de ±0,5 % en la zona central. Cuando se desea obtener la máxima exactitud del Instrumento en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por ejemplo: un termómetro de 0-150°C y de ±1 % de exactitud situado en un baño de temperatura constante a 80°C, puede ser calibrado a este valor, de modo que su exactitud en este punto de trabajo será la máxima que se pueda obtener con un termómetro patrón. Es obvio que para los valores restantes, en particular los correspondientes a los extremos de la escala, la exactitud se apartará de ±1 %.

Hay que señalar que los valores de la exactitud de un instrumento se consideran en general establecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo, estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fábrica y de inspección. Por ejemplo, un instrumento que en fábrica tiene una exactitud de calibración de + 0,8 %, en inspección le corresponde + 0,9 % Y la dada al usuario es ±1 %.

Con ello se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, las diferentes precisiones de los instrumentos de medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento, etc.

1.2.6 Precisión

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 una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 bar. Tendrá un error práctico de 2 bar, pero los valores leídos estarán muy próximos entre sí con una muy pequeña dispersión máxima de 7,052 - 7,049 = 0,003, es decir, el instrumento tendrá una gran precisión.

Por lo 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. A señalar que el término precisión es sinónimo de repetibilidad.

1.2.7 Zona muerta (dead zone o dead band)

La zona muerta (dead zone o dead band) 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. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en el instrumento de la figura 1.3 es de ±0,1 %, es decir: 0,1 x 200/100 = ±0,2º C.

1.2.8 Sensibilidad (sensitivity)

La sensibilidad (sensitivity) 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. Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:

barccmA /..5,010/)55,5(

)420/()9,113,12(±=

−−−

Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida: Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 1.3 es de + 0,05 %, su valor será de 0,05 x 200/100 = ±0,1 °C/°C.

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.

1.2.9 Repetibilidad (repeatibility)

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 menor dispersión de los valores de salida para un valor de la señal de entrada del proceso y, por lo tanto, mayor precisión.

Se considera en general su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor representativo es el de ±0,1%. Nótese que el término repetibilidad no incluye la histéresis (figura 1.3 b).

Para determinada, el fabricante comprueba la diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicación o señal de salida del instrumento recorriendo todo el campo, y partiendo, para cada determinación, desde el valor mínimo del campo de medida. De este modo, en el caso de un manómetro puede haber anotado los siguientes datos relacionados.

La repetibilidad viene dada por la fórmula N

xxi∑ − 2)( resultando:

1900785,0

= ± 0,02%

1.2.10 Histéresis (hysteresis)

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.

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 al subir la temperatura desde 0, e indica 40,1 al bajar la temperatura desde 100°C, el valor de la histéresis es de:

401-399 . 100 = ± 0,2%

100-0

En la figura 1.3 c pueden verse las curvas de histéresis que están dibujadas exageradamente para apreciar bien su forma. Hay que señalar que el término zona muerta está incluido dentro de la histéresis.

1.2.11 Otros términos

Empleados en las especificaciones de los instrumentos son los siguientes:

- Campo de medida con elevación de cero

Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 °C a 30 °C.

- Campo de medida con supresión de cero

Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, 20 °C a 60 °C.

- Elevación de cero

Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 10 °C en el campo -10 °C a 30 °C del instrumento, o sea: (10/40) x 100 = 25 %.

- Supresión de cero

Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 20 °C en el campo 20 °C a 60 °C del instrumento, o sea (20/40) x 100 = 50 %.

Deriva

Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en. la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura). La deriva está 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. Por ejemplo, la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2 % del alcance.

Fiabilidad (Reliability)

Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.

Resolución

Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad, o la menor diferencia de valor que el aparato puede distinguir.

Resolución infinita

Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento.

Trazabilidad (Traceability)

Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas. Ruido

Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency Interferente). Puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance.

Linealidad

La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

Linealidad basada en puntos

Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100 % de la variable medida.

Temperatura de servicio

Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados.

Vida útil de servicio

Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas.

Reproductibilidad (Reproducibility)

Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a 10 largo de un período de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sería ±0,2 % del alcance de la lectura o señal de salida a lo largo de un período de 30 días.

Respuesta frecuencial

Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Se especifica usualmente como "dentro de ±. ... % de ... a ... Hz".

ACTIVIDAD: Actividad No. 1: Quiz Consultar la norma ANSI/ISA S 51.1 de 1979, Revisión 1993, Aprobación 1995, de acuerdo a la norma definir cada uno de los conceptos de la lista del marco teórico. Actividad No. 2: Proyecto de laboratorio Aplicación de los conceptos básicos mediante el diseño e implementación de un instrumento de medida de corriente continua V.O.M. (Voltímetro – Ohmetro – Miliamperímetro). Para lo cual se cuenta con cinco guías de laboratorio que se pueden descargar del aula virtual:

1. Caracterización de un instrumento de medida de corriente continua 2. Implementación de Voltímetro 3. Implementación de Miliamperímetro 4. Implementación de un Ohmetro 5. Implementación del V.O.M.

El instrumento de medida V.O.M. debe ir implementado en protoboard, presentado en grupos de tres personas y se calificará una semana después del primer parcial, con las cinco guías completas Actividad No. 3: CALIBRACIÓN DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA DE C.C. REGRESIONES CON EXCEL OBJETIVOS • Interpretar el funcionamiento del instrumento por medio de los fenómenos que lo rigen.

• Proponer el modelo experimental mediante la calibración y procesamiento de los datos obtenidos en el laboratorio

• Establecer la relación entrada por medio de la experimentación • Determinar una ecuación que describa el modelo en forma de salida sobre la entrada • Desarrollar habilidades con programas para la interpretación de regresiones de experimentación y

calibración de instrumentos. • Proponer el modelo experimental mediante la calibración y procesamiento de los datos obtenidos en el

laboratorio, haciendo uso de programas de cálculo.

COMPETENCIAS

• Analizar del comportamiento de señales bajo condiciones de laboratorio • Interpretar de los resultados obtenidos de experimentación con señales aplicadas a instrumentos • Argumentar por medio de modelos numéricos el comportamiento de las señales obtenidas del instrumento o

sensor

DESTREZAS

• Habilidad del manejo del calculo numérico para explicar los resultados experimentales • Capacidad de implementar un experimento y toma de datos • Habilidad del manejo de señales por medio de software para la comprobación de resultados MARCO TEORICO

La calibración de un instrumento es uno de los parámetros que permiten conocer el comportamiento de un instrumento en cuanto a su linealidad.

Es importante el desarrollo de un experimento en el cual se deben tener varios parámetros en cuenta como son:

• Temperatura del lugar donde se calibra • Humedad • Presión Atmosférica • Vibración

También es necesario contar con un patrón adecuado para poder comparar la variable a medir y planear el desarrollo de la experimentación.

El tratamiento de los datos por medio de la estadística es parte del desarrollo para la obtención de la ecuación que rige el instrumento, para esto se hace uso de las regresiones que están clasificadas de acuerdo al comportamiento de las ecuaciones como ejemplo tenemos, lineales, exponenciales, logarítmicas etc, información que se puede ampliar en libros de estadística para ingenieros. FUNCIONAMIENTO La calibración es importante en la industria en diferentes áreas como la medición en fuerza, pesos, humedad, caudal, presión temperatura etc.

En primer lugar se debe planear un experimento en donde se tengan los elementos necesarios y conocer que grafica se debe obtener para conocer el comportamiento del instrumento.

Realizar la toma de datos en forma ascendente y descendente para obtener un patrón claro en la grafica.

Graficar los resultados para identificar que tipo de regresión se debe aplicar a los datos obtenidos y así determinar la ecuación que modela el instrumento.

Regresiones con Excel

Las regresiones son la herramienta numérica que permite el cálculo del modelo matemático de un experimento por medio de los datos obtenidos en el laboratorio.

Permite conocer cual es la ecuación matemática que reproduce el experimento y muestra la calidad con la que se midió y permite detectar los errores que se cometieron durante el proceso de medición.

Se tienen diferentes modelos de regresión los cuales se deben ajustar al tipo de datos, estos son:

Regresión Lineal Regresión Logarítmica

Regresión de Potencias Regresión Polinómica

Regresión Exponencial

Y otros modelos de regresión que tienen por objeto modelar procesos estadísticos.

Esta formulación numérica se encuentra en Estadísticas aplicadas para ingeniería y textos de Diseño de Experimentos; también es posible conseguir información en los programas de computador que permiten hacer mas sencillo el proceso de calculo; podemos citar EXCEL, MATLAB, MATHCAD, DERIVE, y MAPLE.

FUNCIONAMIENTO En todas las ingeniarías es necesario poder establecer el patrón de comportamiento de fenómenos o procesos los cuales se deben plasmar por medio de una gráfica o ecuación que represente el comportamiento. Este procedimiento se realiza básicamente en casos en donde se desconoce el comportamiento exacto de un fenómeno y se busca que la ecuación plasme el modelo que se esta investigando. A este procedimiento se la denomina ecuación empírica, es bueno aclarar que un fenómeno se puede modelar por diferentes ecuaciones empíricas las cuales no todos los datos se ajustan, esto hace que se determinan diferentes ecuaciones con alcance limitado.

Existen diferentes formas y comportamientos de las ecuaciones, las cuales se presentan a continuación.

MATERIALES

Computador Programa de Excel Guía de Laboratorio

PROCEDIMIENTO GRAFICAS Y REGRESIÓN Para el desarrollo de problemas aplicados se hace uso de regresiones por medio del EXCEL.

Se inicia con una tabla de datos experimentales, como se muestra y se hace uso del asistente de gráficos, se selecciona las columnas que tienen las variables x e y se activa como en la figura anterior.

Aparece el menú del asistente, se puede observar las diferentes opciones de graficas, en nuestro caso es de Líneas, esta opción permite escoger variadas formas de graficas.

Se puede apreciar las opciones de Líneas y la ventaja de que esta tiene una vista previa, facilitando la verificación de la grafica.

Se tiene este menú en donde se pueden modificar los datos en la casilla de rango y en la etiqueta de serie se puede adicionar otra columna de tanto para x como para y, mostrando dos experimentos o dos situaciones que dependen de la misma variable. Con el botón de siguiente se avanza.

En esta parte del asistente le permite colocar los títulos de la grafica y de los ejes, también es posible el manejo, de los ejes en cuanto al formato de las líneas de división en x e y, además es posible el manejo del tipo de letra, tamaño, etc (Explorar cada una de las opciones).

Por último se tiene la opción de generar el gráfico en una hoja aparte o sobre la hoja en la cual aparecen los datos, es preferible en la misma hoja de los datos para facilitar ajustes. (Objeto). La apariencia final es la siguiente.

El otro aspecto a manejar es la operación de regresión, esta se desarrolla de la siguiente manera. Primero se inicia con hacer clic con el botón derecho del mouse sobre la línea y se activa el siguiente menú:

Se activa en agregar línea de tendencia para así escoger la regresión que más se ajuste a la calibración.

De acuerdo con la gráfica obtenida se puede escoger la mejor regresión, en algunas ocasiones no se activan todas esto se debe a los datos de la calibración que no se ajustan sino a algunas regresiones en particular, esto facilita la selección de la mejor regresión para estos datos.

En la etiqueta de opciones se puede activar que muestre la ecuación y la R cuadrado. Quedando el gráfico final de la siguiente forma.

Se pueden realizar modificaciones en los ejes x e y, para mejorar la escala o cambiar el formato de la divisiones, números, tamaño entre otras, se hace clic botón derecho con la fecha sobre el eje que se desee modificar y se tiene el siguiente menú.

Se puede realizar modificaciones en la escala tanto de x e y de tipo logarítmico con solo activar el menú escala logarítmica. Lo anterior permite generar el papel semilog o log-log que se usa para regresiones de este tipo. Se tiene otras ayudas del programa por medio del ayudante de excel.

CALCULO ESTADISITICO

Excel como herramienta de cálculo tiene varias opciones que facilitan el desarrollo del análisis estadístico y poder así generar informes de calibración de un instrumento, modelos de experimentación y otros análisis de uso frecuente en ingeniería.

Haremos uso del asistente de funciones matemáticas el cual tiene se puede identificar y se obtiene el siguiente menú.

En categoría podemos seleccionar el tipo de función que deseamos usar en nuestro caso usamos estadísticas y en nombre de función podemos escoger la operación numérica que necesitamos, para esto debemos estar en una casilla vacía y así activar el menú de funciones y poder realizar la operación. Dentro de las operaciones que se pueden desarrollar son:

• Desviación estándar, la cual corresponde a la función DESVEST

• Promedio: función PROMEDIO • Distribución normal o Gausiana: DISTRI.NORM • Distribución chi cuadrado: DISTRI.CHI

Por medio de la ayuda de Excel se puede verificar el modelo matemático que se va aplicar y su ecuación. También muestra un ejemplo.

BIBLIOGRAFÍA: NORMATIVIDAD ANSI/ISA – S5.1-84 (R 1992) INTRUMENTATION SYMBOLS AND IDENTIFICATION ISA – S5.2 -76 ANSI/ISA –S5.2-1976 (R1992) BINARY LOGIC DIAGRAMS FOR PROCESS OPERATION ISA –S5.3-1983 GRAPHIC SYMBOLS FOR DISTRIBUTED CONTROL / SHARED DISPLAY INSTUMENTATION, LOGIC AND COMPUTER SYSTEMS ANSI/ISA-S5.4-1991 INSTRUMENT LOOP DIAGRAMS ANSI/ISA – S5.5-1985 GRAPHIC SYMBOLS FOR PROCESS DISPLAYS ISA –S12.00.01-1999 (IEC 60079-0 MOD) ELECTRICAL APPARATUS FOR USE IN CLASS I, ZONES0.1 &2 HAZARDOUS (CLASSIFIELD) LOCATIONS – GENERAL REQUERIMENTS ANSI/ISA-RP12.6-1995 WIRING PRACTICE FOR HAZARDOUS LOCATIONS INSTRUMENTATION PART 1 INTRINSIC SAFETY ISA –RP2.1-1978 MANOMETER TABLES ISA-S26-1968 DYNAMIC RESPONSE TESTING OF PROCESS CONTROL INTRUMENTATION

ISA-S75.13-1996 METHOD OF EVALUATING THE PERFORMANCE OF POSITIONERS WITH ANALOG INPUT SIGNALS AND PNENUMATIC OUTPUT. ISA-MC96.1-1982 TEMPERATURE MEASUREMENT THERMOCUPLES ANSY-ISA-S67.14-1985 ENVIROMENTAL CONDITIONS FOR PROCESS MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEMS TEMPERATURE AND HUMIDITY ISA-S71.02-1991 ENVIRONMENTAL CONDITIONS FOR PROCESS MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEMS: POWER ANSI/ISA-S71.04-1985 ENVIRONMENTAL CONDITIONS FOR PROCESS MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEMS: MECHANICAL INFLUENCES BIBLIOGRAFIA

• CREUS, Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. Alfaomega. (Biblioteca) • COOPER, William. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y TÉCNICAS DE MEDICIÓN.

(Biblioteca). • DOEBELIN, Ernest O. DISEÑO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS DE MEDICIÓN. • ZBAR, Paul B. PRÁCTICAS DE ELECTRICIDAD

ECCI: ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES Guía No. 2 Fecha: Estudiante: ________________ Código:________________ Objetivo general: Reconocer las características estáticas y dinámicas propias de cada instrumento, las cuales permiten realizar o proponer una clasificación Objetivos específicos:

1. Considerar la clasificación de los instrumentos según la función del instrumento.

2. Considerar la clasificación de los instrumentos según la variable del proceso.

3. Reconocer la existencia de varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas, aplicadas en la industria

MARCO TEORICO:

1. CLASES DE INSTRUMENTOS Los instrumentos de medición y control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se consideran dos clasificaciones básicas; la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso.

1.1. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO

Instrumento Ciego. Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable, como los instrumentos de alarma tales como preostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que solo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar el valor seleccionado. Son instrumentos ciegos: los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.

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. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.

Instrumentos registradores

Registran con trazo continuo o en puntos la variable y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráficos circular suelen tener gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.

Los elementos primarios

Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.

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 c.c.

Los transductores. Reciben una señal de entrada en función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores: un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión proceso señal neumática). Los convertidores Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4 – 20mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían el resultado en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal neumática a señal electrónica).

Los Receptores Reciben las señales procedentes de los transmisores y les indican o registran. Los receptores controladores envían esta señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3 – 15 psi en señal neumática, o 4 a 20 mA c.c. en señal electrónica, y 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.

Elemento final de control Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completando 3 a 15 psi. (0,2 – 1 bar). En el control electrónico y en particular en regulación de temperatura de hornos pueden utilizarse rectificador de silicio (tiristores). Estos se comportan esencialmente como bobinas de impedancia variable y varían la corriente de alimentación de la resistencia del horno, en la misma forma en que una válvula de control cambia el caudal de fluido en una tubería.

Las señales neumáticas (3-15 psi o 0,2-1 bar o 0.2-1 kg/cm2) y electrónica (4-20 mA c.c.) permiten el intercambio entre Instrumentos de la planta. No ocurre así en los instrumentos de señal de salida digital (transmisores, controladores) donde las señales son propias de cada suministrador. No obstante, existe el propósito de normalización, en particular en los sistemas de control distribuido, por parte de firmas de instrumentos de control (Bailey, Foxboro, Honeywell, Rosemount y otros) que estudian la aplicación de un lenguaje o protocolo de comunicaciones. Existe un comité internacional de normas IEC-6SC que recibe la colaboración de comités ISA SP50, ISA SP72 y EUROBOT de EUREKA, y que trabajan también en el campo de normalización de las comunicaciones digitales entre los instrumentos de campo y los sistemas de control en la llamada tecnología del –fieldbus- o bus de campo. Intentos parciales de normalización se realizan en procesos discontinuos (norma NAMUR) por empresas tales como AK20, BASF, BAYER, CIBA, GEIGY... que definen la misma programación para fábricas distintas con el fin de obtener productos con la misma calidad.

1.2. EN FUNCIÓN DE LA VARIABLE DE PROCESO

De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, Presión, temperatura, densidad y peso especifico, humedad y punto do rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.

Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dínamo. Asimismo, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el aso de un transmisor electrónico de nivel de 4 a 20 mA c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad-presión (I/P) que transforma la señal de 4-20mA c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel. En la designación del instrumento se utiliza en el lenguaje común las dos c1asificaciones expuestas anteriormente. Y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presión, controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradora de caudal, etc, Código de identificación de instrumentos Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas muy variadas que veces varían de industria en industria. Esta gran variedad de normas y sistemas utilizados en las organizaciones industriales indica la necesidad universal de una normalización en este campo. Varias sociedades han dirigido sus esfuerzos en este sentido, y entre ellas se encuentra como una de las importantes la Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos, ISA (Instrument Society of America) cuyas normas tienen por objeto establecer sistemas de designaci6n (código y símbolos) de aplicación a las industria químicas, petroquímicas, aire acondicionado, etc. Normas ISA-S5.1-84 de ANSI/ISA del año 1984 con una rectificación el año 1992, sobre instrumentación de medición y control. Normas ISA-S5.2-76 del año 1976 con una rectificación el año 1992 Binary Logic Diagrams for Process Operations sobre símbolos de operaciones binarias de procesos. Normas ISA.S5.3 Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation. Logic and Computer Systems 1983, sobre símbolos de sistemas de microprocesadores con control compartido.

2. TRANSMISORES Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100 % de la variable. Esta señal está normalizada por la SAMA-Asociación de fabricantes de instrumentos (Scientific Apparatus Makers Asociation) y ha sido adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0.2-1 bar (1 bar = 1,02 kg/cm2) que equivale aproximadamente a 3-15 psi (3 psi = 0.206 bar o 0,21 kg/cm2, 15 psi = 1,033 bar o 1,05 kg/cm2), las unidades normalizadas son el pascal y el bar (1 bar = 105 pascal). El alcance de esta señal métrica es un 6 % más corto que la señal de 3-15 psi, por lo cual la adopción en una planta industrial de una u otra norma obliga a calibrar con la misma señal adoptada el conjunto completo transmisor, controlador, válvula de control y todos los instrumentos accesorios que se utilicen (extractores de raíz cuadrada. computadores neumáticos, posicionadores, etc.). Nótese que en las válvulas de control pueden emplearse señales neumáticas de 0,6-1.4, de 0,4-2 o de 0,8-2,4 bar, gracias a la función de conversión de la señal de entrada 3-15 psi (0,2-1 bar) que puede realizar el posicionador acoplado a la válvula o bien mediante resortes especiales dispuestos en el servomotor de la válvula. Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4-20 mA c.c, a distancias de 200 m a 1 Km., según sea el tipo de instrumento transmisor. Todavía pueden encontrarse transmisores que envían las señales 1-5 mA c.c., 10-50 mA c.c., 0,5 mA c.c., 1-5 mA c.c., 0-20 mA c.c., 1-5 V c.c., utilizadas anteriormente a la normalización a la señal indicada de 4.20 mA c.c. La señal 1-.5 V c.c., es útil cuando existen problemas en el suministro electrónico. De todos modos, basta conectar una línea de 250 Ω para tener la señal electrónica de: 4.20 mA c.c. La señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje. La relación de 4 a 20 mA c.c. es de 1 a 5, la misma que la razón de 3 a 15 psi en señal neumática y el nivel mínimo seleccionado de 4 mA elimina el problema de la corriente residual que se presenta al desconectar los circuitos a transistores. La alimentación de los transmisores puede realizarse con una unidad montada en el panel de control y utilizando el mismo par de hilos del transmisor. El cero vivo, con que empieza la señal (4 mA c.c.) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el ruido de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo. Nótese que el nivel mínimo de la señal neumática de salida no es cero, sino que vale 3 psi (0.2 bar). De esto modo se consigue calibrar correctamente el instrumento, comprobar su correcta calibración y detectar fugas de aire en los tubos de enlace con los demás instrumentos neumáticos. La señal digital consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada BIT consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Por ejemplo, dentro de la señal electrónica de 4-20 mA c.c., los valores binarios de 4, 12 y 20 mA son respectivamente de 00000000, 01111111 Y 11111111. Si la señal digital que maneja el microprocesador del transmisor es de 8 bits, entonces puede enviar 8 señales binarias (0 y 1) simultáneamente. Como el mayor número binario de 8 cifras es: 11111111 = 1+1*22+...+27 = 255 Se sigue que la precisión obtenida con el transmisor debida exclusivamente

a la señal digital es de: (1/255)*100= ±0,4 % Si la señal es de 16 bits, entonces puede manejar 16 señales binarias (0 y 1). Siendo el mayor número binario de 16 cifras 1111111111111111 = 1 + 1* 2 + 1*22 +... + 1 .215 = 65535 La precisión obtenida con el transmisor debida a la señal digital es de: (1/65535)*100 = ±0.00152

Transmisores Telemétricos. Sistema SCADA. Supervisory Control Automatic Data Acquisition. Las fibras ópticas en la transmisión se están utilizando en lugares de la planta donde las condiciones son duras (campos magnéticos intensos que influyen sobre la señal). Los módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz de LED (Light Emiting Diodes) o diodo láser. Los módulos receptores disponen de fotodetector y preamplificador. Con los cables o multicables de fibra óptica y con convertidores electro ópticos. La transmisión de datos puede efectuarse con multiplexores transmitiendo simultáneamente a la velocidad máxima definida por la norma RS232 de transmisión de datos para modems y multiplexores. Las ventajas de la transmisión por fibra óptica incluyen la inmunidad frente al ruido eléctrico (interferencias electromagnéticas), el aislamiento eléctrico total, una anchura de banda mayor que la proporcionada por los correspondientes hilos de cobre, ser de pequeño tamaño y de poco peso, sus bajas pérdidas de energía, y que: las comunicaciones sean seguras. ACTIVIDAD: Actividad No. 1: CALIBRACIÓN DE UN INSTRUMENTO INDICADOR DE MEDIDA DE CORRIENTE CONTINUA BIBLIOGRAFÍA:

• CREUS, Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. Alfaomega. (Biblioteca) • COOPER, William. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y TÉCNICAS DE MEDICIÓN.

(Biblioteca). • DOEBELIN, Ernest O. DISEÑO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS DE MEDICIÓN. • ZBAR, Paul B. PRÁCTICAS DE ELECTRICIDAD

ECCI: ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

Guía No. 3 Fecha: Estudiante: ________________ Código:________________ Objetivo general: Determinar la importancia de los circuitos puente tanto de corriente continua como de corriente alterna, en la implementación de interfases entre los transductores y el sistema de procesamiento de señal. Objetivos específicos:

1. Conocer las características, funcionamiento y el sustento matemático de los circuitos puente, tanto de corriente continua como de corriente alterna.

2. Conocer la importancia de los circuito puente como interfase entre los elementos primarios y el procesamiento de señal

3. Conocer las mejoras en cuanto a precisión y exactitud que adicionan los circuitos puente en un sistema de adquisición de datos

4. Identificar los circuitos puentes en aplicaciones industriales y como base de algunos instrumentos de medida.

ACTIVIDAD: Aplicación de los puentes de corriente continua en la implementación de un instrumento de medida de corriente continua BIBLIOGRAFÍA: • COOPER, William. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y TÉCNICAS DE MEDICIÓN. (Biblioteca).