Instrumentos de Medición: Tipos, Características y Estándares

Definición de Elemento de Medición

Un elemento de medición es un dispositivo que proporciona una salida útil en respuesta a un determinado fenómeno que se desea medir.

Clasificación de Instrumentos de Medida

• Instrumentos Pasivos o Activos: La energía que utiliza el sistema para operar se extrae completamente de la variable que se desea medir.
• Instrumentos Análogos o Discretos: Un instrumento es análogo si presenta lectura para cualquier valor de la variable que se quiere medir. Un instrumento es discreto si la lectura puede tomar solo un número finito de valores.
• Instrumentos de Deformación o Puesta a Cero: Utilizan el principio de acción y reacción para producir la medida. En este tipo de sensores se utiliza el efecto de reacción que produce la energía de la variable medida para producir la lectura deseada.

Definiciones en Control

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 ºC.

Alcance (Span)

Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.

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

• Error Estático: En condiciones de régimen permanente.
• Error Dinámico: Diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento.

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 se encuentra dentro de los límites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato patrón también tiene error y como en la operación de calibración intervienen 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.

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.

Exactitud (Accuracy)

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

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.

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.

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.

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. A mayor repetibilidad, mayor precisión.

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.

Clases de Instrumentos

En función del instrumento:

• Instrumentos Ciegos: Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. (Ej.: termostatos, solo ajustan el punto de disparo).
• Instrumentos Indicadores: Disponen de un índice y una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.
• Instrumentos Registradores: Registran con trazo continuo o a puntos la variable.
• Sensores: Captan el valor de la variable de proceso y envían una señal de salida predeterminada. El sensor puede formar parte de otro instrumento o bien puede estar separado. También se denomina detector o elemento primario por estar en contacto con la variable, con lo que utiliza o absorbe energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc.
• Transmisores: Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua o digital. La señal digital es la más ampliamente utilizada y es apta directamente para las comunicaciones, ya que utiliza protocolos estándar.
• Transductores: Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten, modificada o no, a una señal de salida. (Ej.: un relé, un sensor, transmisor).
• Convertidores: Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o electrónica procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar.
• Receptores: Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada que actúa sobre el elemento final de control.
• Controladores: Comparan la variable controlada con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación.

Estándares en Instrumentación

• Estándar Neumático: Estándar de presión de aire de 3 a 15 PSI para las señales de instrumentación, 3 PSI para el valor más bajo de la señal y 15 PSI para el valor más alto.
• Estándares Electrónicos:
  • Estándar de Corriente: Señal de 4 - 20 mA (se usa 4 mA para indicar la lectura más baja, usualmente cero). En ocasiones, dada la no linealidad inherente que significa la escala anterior, y a la incomodidad de no poder asociar al valor cero como 0 mA, algunos fabricantes ofrecen la posibilidad de usar escalas de 0 - 20 mA.
  • Estándar de Frecuencia: Señal de 0 - 10 KHz. Esto es, la información se transmite variando el periodo de la oscilación. Las distorsiones de las señales se dan en su forma o en su amplitud, no en su periodo, de modo que la información que va en la frecuencia es fácilmente reproducible en el equipo receptor. Además, en este caso es posible utilizar como límite inferior el valor 0 KHz, ello dado que la condición de no operación del instrumento se manifiesta en este caso por ausencia de señal.
  • Estándar de Voltaje: Usualmente de 0 a 10 Volts. Por su vulnerabilidad a las interferencias del medioambiente, y dado que su valor se atenúa cuando debe ser transmitido a distancia, su uso se restringe usualmente para interconexión de instrumentación que se encuentra a corta distancia. Su ventaja reside en lo fácil que resulta su manipulación, ello en comparación con las otras formas antes discutidas, razón por la cual la mayoría de los fabricantes la incluyen como alternativa en los instrumentos.