Conceptos Básicos: Características de los Instrumentos de Medición

Por: Rosario Vázquez Reyes
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica, IPN

INTRODUCCIÓN

Los instrumentos de medición han llevado al operador de su participación en el sitio de medición, supervisión y la vigilancia del proceso a centros de control situados en el propio sitio del proceso o en un punto remoto.

Para lograr esto, los instrumentos o sistemas de instrumentación deben seleccionarse con sumo cuidado, esto con el fin de satisfacer cada aplicación específica; para lograr esto, se debe tener un conocimiento profundo tanto del instrumento como del sistema a supervisar.

Para seleccionar estos instrumentos, es necesario conocer su funcionamiento y saber evaluarlos. El funcionamiento y la evaluación, se basa en las diferentes características de operación, independientemente del tipo de transductor y éstas siempre estarán presentes. Estas características de operación se encuentran en las especificaciones del instrumento.

El termino especificaciones se usa para describir las características de un sistema de medición, usualmente estas características se muestran en las hojas de datos de cada instrumento y antes de instalar cualquier equipo, es necesario contar con las hojas de especificaciones correctas, ya que de estas características depende, en gran medida, su instalación correcta.

Los términos descritos posteriormente podrán ser una guía para identificar las características de los instrumentos de control de procesos que se estén empleando. Los valores correspondientes a estos términos, típicamente se encuentran en las hojas de datos, en la sección de especificaciones del mismo.

RANGO O ALCANCE

El rango o alcance, está definido como el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento. Este valor se encuentra expresado estableciendo los dos valores extremos LRV y URV.

LRV (VALOR DE RANGO MÍNIMO)

El valor mínimo de la variable medida que un dispositivo está ajustado para medir.

URV (VALOR DE RANGO MÁXIMO)

El valor máximo de la variable medida que un dispositivo está ajustado para medir.

SPAN

El span se define como la diferencia algebraica entre el límite superior URV y el límite inferior LRV del instrumento.

ERROR

El error es la diferencia algebraica entre el valor medido o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida por un instrumento patrón. El error normalmente se indica como un porcentaje, conocido como error relativo y esta dado por la siguiente relación:

Los errores más frecuentes en un instrumento de medición son el error de cero y el error de span.

 

Figura 1. Error de Cero
Figura 2. Error de Span

REPETIBILIDAD

La repetibilidad es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento (pluma, índice o señal de salida) al medir repetidamente valores idénticos de la variable operacional en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.

RESOLUCIÓN

Es el mínimo valor confiable que puede ser medido en un instrumento.

EXACTITUD

La exactitud es la cualidad de un instrumento para dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. Es función de la repetibilidad, resolución y de la calibración del instrumento.

La exactitud se expresa en términos de porcentaje, ya sea del span calibrado, del URL o de la lectura. Es muy importante no sólo tomar en cuenta el número de % de error sino los términos adicionales que lo acompañan.

Ejemplo: Un transmisor tiene un rango de 0-200” H2O, calibrado en un rango 0-150” H2O y con una lectura actual de 100” H2O:

Si la exactitud es ± 0.25% del span calibrado.
El error máximo será: 0.25% x 150”H2O = ± 0.375”H2O

 Si la exactitud es ± 0.25% del URL o F.S.(Full Scale)
El error máximo será: 0.25% x 200”H2O = ± 0.5 ”H2O

 Si la exactitud es ± 0.25% de la lectura medida.
El error máximo será: 0.25% x 100”H2O = ± 0.25 ”H2O

PRECISIÓN

La precisión es el grado de concordancia entre una serie de determinaciones obtenidas de repetir la medición bajo mismas o diferentes condiciones y se expresa como la desviación estándar relativa (dispersión) o el coeficiente de variación. Cuanto menor sea la desviación estándar, es mejor la precisión. La precisión es función de la repetibilidad y la resolución.

Cuando de desea obtener la máxima precisión del instrumento en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo. Los fabricantes usualmente la especifican para todo el rango. Ver Figura 3.

Figura 3. Diferencia entre precisión y exactitud

INCERTIDUMBRE EN LA MEDIDA

La incertidumbre en la medida es la distribución estadística de los resultados que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

ZONA MUERTA (DEAD ZONE O DEAD BAND)

La zona muerta  es el campo de valores de la variable operacional que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento; es decir, ante cambios de la magnitud de la variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del alcance de la medida.

HISTÉRESIS

Figura 4. Histéresis en la medición de temperatura

La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la medición de la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.

Este valor se expresa en tanto porciento del alcance (Span) de la medida. Lo antes descrito se muestra en la Figura 4.

LINEALIDAD

La linealidad es la aproximación más cercana de una curva de calibración, a una línea recta previamente establecida.

Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del instrumento.

RANGEABILIDAD 

Figura 5. Rangeabilidad o Trundown

Se define como la relación del máximo al mínimo valor en el que el instrumento tiene una actuación aceptable de acuerdo a su exactitud y se hace presente generalmente en instrumentos cuyo funcionamiento es a través de elementos mecánicos, como es el caso de los medidores de flujo y válvulas de control, ver figura 5.

TIEMPO DE RESPUESTA

Debido a fenómenos de equilibrio, transporte, entre otros, la medición de cualquier variable de proceso puede implicar una demora que debe ser definida adecuadamente.

Si la medición tiene una cinética más lenta que la de la propia variable, habrá que disponer de sistemas complejos de predicción del valor en lugar de descansar sólo sobre la medición instrumental.

Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final.

CONCLUSIONES

Las características de los instrumentos de medición permiten evaluar cuál es el adecuado para un proceso en campo específico, la capacidad de medida del instrumento para asegurar la máxima información de la variable en proceso y  los posibles errores en la salida de instrumento. Estas características permiten que el usuario pueda calibrar el instrumento de medición.

REFERENCIAS

[1]  Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España.

[2]  Harold E. Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 23.

[3]  STEREN, “El ABC de la mecatrónica”. Pág. 8.

[4]  V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 19, 28.

[5]  Rosario Vázquez Reyes, Análisis de los Instrumentos de Medición Inteligentes, Tesis de Licenciatura, IPN, 2014.

[6]  Apuntes Curso Instrumentación Básica de Procesos Industriales. ISA México 2017.

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