Definiciones de los instrumentos industriales Definiciones de los instrumentos • Campo de medida (range) 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. - un instrumento de temperatura de 100-300 °C. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/-49vyBOUicjI/UGOQOOxax-I/AAAAAAAAAAs/b8i495HBQk4/s400/Imagen2.png Definiciones de los instrumentos • Dinámica de (rangeability) medida o rangeabilidad 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. • Alcance (span) Ejemplo: - 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. Definiciones de los instrumentos • Error (error) 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 / Error verdadero Definiciones de los instrumentos • Error (error) Error estático: el proceso está en condiciones de régimen permanente. Error dinámico: (diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento) el proceso está en condiciones de régimen dinámico. Error medio: media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Definiciones de los instrumentos • Error (error) 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 Diafragma Errores 2% Transmisor electrónico de 4-20 mA c.c. 0,50% Receptor electrónico 0,50% Integrador electrónico 0,50% Error total de la medición 22 + 0,52 + 0,52 + 0,52 = 2,18% Definiciones de los instrumentos • Incertidumbre de la medida (uncertainty) Fuentes de incertidumbre: → 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. Definiciones de los instrumentos • Incertidumbre de la medida (uncertainty) Para el cálculo de la incertidumbre pueden seguirse varias normas: → ISO/IEC 17025:2005 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories. → G-ENAC-09 Rev 1 Julio 2005: Guía para la expresión de la incertidumbre en los ensayos cuantitativos. → CEA-ENAC-LC/02 Expresión de la Incertidumbre de Medida en las Calibraciones. → EAL-R2 Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration, 1995. → GUM (Guide to the expression of uncertainty in measurement), conocida tambien como ISO/TC 213 N 659. Definiciones de los instrumentos • Exactitud (accuracy) Es la cualidad de un instrumento de medida por la que ende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida. 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 especifi cada, posicionada de tal modo tal que se reduce al mínimo dicha desviación máxima. Definiciones de los instrumentos • 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: Definiciones de los instrumentos • Exactitud (accuracy) a) Tanto por ciento del alcance, campo de medida (range). Ejemplo: en un instrumento de temperatura muestra que para una lectura de 150 °C y una exactitud de ± 0,5%, el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 ± 0,5 × 200/100 = 150 ± 1, es decir, entre 149 °C 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 ± 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 de un instrumento es de 150 mm, la exactitud de ± 0,5% representará ± 0,75 mm en la escala. Definiciones de los instrumentos • Exactitud (accuracy) Exactitud se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido. En términos estadísticos, la exactitud está relacionada con el sesgo de una estimación. Cuanto menor es el sesgo más exacta es una estimación. Cuando expresamos la exactitud de un resultado se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero. También es la mínima variación de magnitud que puede apreciar un instrumento. Definiciones de los instrumentos • Precisión (presicion) 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. 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 . Definiciones de los instrumentos • Precisión (presicion) 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. Precisión se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. Definiciones de los instrumentos Exactitud vs Precisión Imagen tomada de: http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2014/03/exactitud-y-precisic3b3n.png?w=450 Definiciones de los instrumentos • 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. Ejemplo: en el instrumento de la figura es de ± 0,1%, es decir, de 0,1 × 200/100 = ± 0,2 °C. Tomado de: Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Página 4. Definiciones de los instrumentos • Sensibilidad (sensitivity) 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: (12,3 − 11,9)/(20 − 4) (5,5 − 5)/10 Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura es de ± 0,05%, su valor será de 0,05 × 200 = ± 0,1 °C. Tomado de: Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Página 4. Definiciones de los instrumentos Tomado de: Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Página 4. Definiciones de los instrumentos • Repetibilidad (repeatibility) Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. La repetibilidad es sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad, es decir, a un menor valor numérico (por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es 0,005%, este segundo tendrá más repetibilidad), los valores de la indicación o señal de salida estarán mas concentrados, es decir, habrá menos dispersión y una mayor precisión. La repetibilidad se expresa en tanto por ciento del alcance. Viene dada por: 𝑥𝑖 − 𝑥 𝑁 2 Definiciones de los instrumentos • Repetibilidad (repeatibility) Tomado de: Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Página 4. Definiciones de los instrumentos • 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. Ejemplo: si en un termómetro de 0-100%, para el valor de la variable de 40 °C, la aguja marca 39,9 °Cal subir la temperatura desde 0 °C, e indica 40,1 °C al bajar la temperatura desde 100 °C, el valor de la histéresis es de: (40,1 − 39,9)/(20 − 4) 𝑥100 = ±0,2% (100 − 0) Definiciones de los instrumentos • Histéresis (hysteresis) El término “zona muerta” está incluido dentro de la histéresis Tomado de: Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Página 4. Otras definiciones de los instrumentos • 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. Otras definiciones de los instrumentos • 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) × 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) × 100 = 50%. Otras definiciones de los instrumentos • Deriva 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. Otras definiciones de los instrumentos • Fiabilidad 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 unas condiciones especificadas. • Resolución Es la menor diferencia de valor que el instrumento puede distinguir. En los instrumentos analógicos interviene el operador según donde observe la posición de la aguja, su error de paralaje en la lectura efectuada y la distancia entre los valores marcados en la escala. Otras definiciones de los instrumentos • Resolución Por ejemplo, en un indicador de nivel de 0% a 100% graduado cada 1% de la escala, con la aguja indicadora, que el observador considera en la mitad entre las divisiones 52% y 53%, y que el afirma que es capaz de discriminar valores del 0,5%, podrá considerarse la resolución como (0,5/100) = 0,05%. En los instrumentos digitales, la resolución es el cambio de valor de la variable que ocasiona que el dígito menos significativo se modifique. Por ejemplo, un indicador digital de temperatura en el que se lee 531,01 °C, el dígito menos significativo es el último 1. Otras definiciones de los instrumentos • Resolución infinita Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. • Trazabilidad 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 y con todas las incertidumbres determinadas. Otras definiciones de los instrumentos • Ruido Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency Interference). Puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance. Otras definiciones de los instrumentos • 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. Otras definiciones de los instrumentos • Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de unos 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. Otras definiciones de los instrumentos • Reproducibilidad 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 lo 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. Imagen tomada de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/Reproducibilidad.jpg Otras definiciones de los instrumentos • 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". Imagen tomada de: http://i258.photobucket.com/albums/hh263/kaux/Mics%20And%20Micing/AT2020FreqRespons e.jpg Referencias Bibliográficas • • • • Pérez, G. A. (2009). Curso de instrumentación. Instituto Tecnológico de San Luis Potosi. México. Páginas 13-14 (Conceptualización) Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 8ª. Edición. Marcombo, S.A. Páginas 1-26 (Conceptualización Solé, A. C. (2009). Instrumentos industriales, su ajuste y calibración. 3ª. Edición. Marcombo, S.A. Páginas 18-19(Conceptualización) Vera, C.A. (2014) http://instrumentacionindustrialunad.blogspot.com/ Autor: Carlos Alberto Vera Romero Técnico en Energía Solar, Técnico en Electrónica, Ingeniero Electrónico, Especialista en Pedagogía Universitaria, Especialista en Gestión de Proyectos Informáticos, Magíster en Controles Industriales. Diplomado y certificado en dirección virtual de curso académico, Diplomado y certificado en diseño de material didáctico, Diplomado y certificado en diseño de objetos virtuales de aprendizaje. Diplomado y Certificado en Consejería Virtual Académica. Diplomado en Mapas de Conocimiento Regional. Diplomado en Sistematización de Prácticas Sociales y Educativas. Docente de diversas áreas como matemáticas, física, electrónica, telecomunicaciones, control, instrumentación industrial, redes de telecomunicaciones. Experiencia en el sector de instalaciones y mantenimiento de redes de banda ancha. Con más de quince años de experiencia como docente en Universidades del País. Investigador y Co-investigador grupo de investigación GRINDES. Skype: vera.carlosalberto Producción: Carlos Alberto Vera Romero Guion: Carlos Alberto Vera Romero Edición: Carlos Alberto Vera Romero Fotografía: Carlos Alberto Vera Romero ECBTI/ZCORI/ INGENIERIA ELECTRÓNICA
