UNIDAD 1 INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACINLa medida consistente en la determinacin de una magnitud por comparacin con un estndar aunque algunos de nuestros sentidos pueden parecernos normales, la percepcin y medida de magnitudes fsicas no pueden realizarse con precisin los sentidos son incapaces de estimar ciertas variables fsicas por ejemplo no podemos percibir ondas sonoras de una frecuencia superior 20 kHz ni tampoco ondas electromagnticas que surjan fuera de nuestro reducido espectro visible para suplir estas diferencias se recurre a los instrumentos de medida de instrumento son capases de cuantificar de forma sistemtica y deber lo que el hombre no es capaz de ver. Por lo tanto las instrucciones comprenden todas las tcnicas equipos y metodologas relacionadas con el diseo de construccin ala aplicacin de dispositivos fsicos para mejor percepcin del ser humano una de las tecnologas de instrumentacin ms avanzadas es la denominada instrumentacin electrnica que es la tcnica que se ocupa de la medicin de cualquier tipo de magnitud fsica de la conversin de la misma a magnitudes elctricas y de su tratamiento para proporcionar de forma adecuada a un sistema de control a un operador humano o a ambos.La informacin de las variables que se pueden capturar se almacena en algn tipo de variable elctrica generalmente tencin es variable elctrica es la que se denomina seal. Variables y seales pueden clasificase siguiendo varios criterios pero aqu nos fijaremos en aquellos que resultan interesantes desde un punto de vista de la instrumentacin elctrica de esta forma tenemos:a) Variables analgicas. Esta se puede presentar cuando los datos constituyen in conjunto denso, es decir, que pueden tener cualquier valor dentro de un intervalo determinante.b) Variables digitales. Estas se presentan cuando los datos constituyen un conjunto finito de valores un caso particular de este tipo de variables es el sistema binario que permite dos valores diferentes denotados normalmente como 0 y 1.Las seales al igual que las variables pueden clasificarse a travs del mismo criterio obteniendo seales analgicas y seales digitales. Teniendo en cuenta lo anterior tenemos que una seal analgicas v(t) puede obtener informacin x(t) en cualquier de los parmetros que la definen.Valores instantneos La variable contenida coincide con la seal es proporcional a ella

a) Es una amplitud: en caso de ser una serial peridica

b) En su frecuencia: en el caso de estar en presencia de una seal peridica

c) En su fase

Cuando la serial v(t) es digital se puede almacenar tambin informacin x(t) tanto digital como analgica en los parmetros que determinan el aspecto de la seal:a) Informacin en el nivel: en cuyo caso la informacin debe ser digital y la seal deber contener tantos niveles como las que se quieran distinguir

b) En su frecuencia: lo que constituye en su caso particular de una variable analgica pero en la que se ha sustituido la solenoide por cada una de las ondas cuadrada

c) En su fase: tambin similar de la seal anterior es seal digital

d) En la duracin de os pulsos o el ciclo de trabajo

Cualquier seal o variable puede ser contaminada por otras variables no deseadas y de difcil control a lo que llamaremos en general ruido. El ruido que se aade en la seal puede ser de dos tipos. a) Ruido que no contiene informacin alguna que se aade a la informacin. Se trata de un ruido sin estructura.b) Ruido que si contiene informacin que tiene estructura definida, es decir, un patrn de comportamiento y que, por ello, no cabe calificarlo como aleatorio.

La instrumentacin y el control estn fuertemente relacionada hasta el punto de que comparten algunos criterios de diseo afectando las decisiones de una directamente de a otra.El concepto de control es extraordinariamente amplio y abarca escenarios de complejidad muy diversas en su concepcin ms simples el control alude a se refiere al gobierno de un sistema por otro sistema. Consigna Entrada Salida

Diagrama a bloques de un sistema de control genrico El objetivo de un sistema de control es obtener una salida, es decir, una respuesta que coincida con la que pretende el operador. El operador se sirve de unas entradas denominadas consignas o variables de control que le permite especificar la respuesta deseada de la planta. A partir de estas seales, el sistema de control genera las denominadas seales de mando que son las que actan sobre la planta con el objeto de modificar la salida del proceso. Generalmente, el sistema de control funciona con magnitudes de baja potencia, llamadas seales y gobiernan unos acontecimientos o actuadores.

Setpoint (SP)Es el valor de referencia al cual queremos llagar es el valor al cual nosotros deseamos que la variable del proceso sea mantenida.Elemento primario de censado (PSE) Es un dispositivo que censa directamente la variable o magnitud del proceso y cambia la cantidad censada a una representacin analgica (voltaje elctrico, corriente, resistencia, fuerza mecnica, movimiento, etc.).Ejemplo: termopar, copla, termistor, el tubo de Bourdon, micrfono.TransductorEs un dispositivo que convierte una seal de instrumentacin estndar risada a otro u otro tipo de seal o bien cambiar el tipo de procesamiento de la seal.En general un traductor es un dispositivo que convierte cualquier energa en otra. TransmisorEs un dispositivo que traslada la seal producida por un elemento primario hacia los dispositivos de control.Rango Son los de valores del proceso que se mide dentro de un proceso desde un mnimo, es decir, desde un 0% hasta un mximo que es el 100% por ejemplo un proceso donde se mide la temperatura se obtiene que el valor de comienzo es de 300C y la temperatura final es de 500C por lo que el valor ms bajo o LRV ser de 300C el valor ms grande o URV ser de 500CCero: el cero se refiere al punto de comienzo de un rango de in instrumento o de un proceso. SPANRango de cobertura el spam se refiere al diferencia existente entre el valor ms bajo y el valor ms alto. Controlador Es un dispositivo que recibe la seal de la variable de un elemento primario o bien de transmisor y calcula las seales acopladas de salida para enviarlas a los elementos finales d control (FCE) final control elemental.Elementos finales d control (FCE)Es un dispositivo que recibe la seal de un controlador para influenciar directamente en el control.Variable manipulada (MV)Es otro trmino que describe la seal de salida generado por un controlador esta seal comanda el elemento final del control para influencia en el proceso.Modo automticoCuando el controlador genera una seal de salida basada en la relacin de la variable del proceso y el setpoint.Modo manual Es cuando el controlador toma decisiones dejando al operador que directamente la seal de salida que va hacia el elemento final del control.Acondicionamiento de sealTrata la seal elctrica para adaptar al siguiente bloque de la cadena. El acondicionamiento puede incluir amplificacin, filtrado, conversin de niveles, conversin de tencin a corriente y viceversa, conversin de tencin a frecuencia y viceversa, lineacin, etc.Visualizacin Unidad que presenta la informacin al operador.Actuadores Conjunto de dispositivos que modifican las respuestas del sistema.Sistema de medidaUn sistema de medida electrnico es aquel equipo cuya finalidad es obtener informacin y representa dicha informacin en la forma adecuada a un observador o a otro sistema tcnico de control.Entradas Salidas

TemperaturaPresin Velocidad Luz PH etc.Visualizacin Almacenamiento Transmisin

Sistema de medida

Sistema de medidaNaturaleza y tipos de variablesNaturaleza de la variableTipos de variables

MecnicaDesplazamiento, velocidad, aceleracin, fuerza, por presin, masa, flujo, etc.

trmicaTemperatura, calor etc.

MagnticaCampo magntico., flujo magntico, permeabilidad magntica, etc.

ElctricaCarga corriente, tencin, resistencia, conductancia, capacidad, permisividad, dielctrica, polarizacin, frecuencia, etc.

pticaRayos gama, rayos x, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, etc.

qumicaHumedad PH, concentracin inica, anlisis de gas, etc.

BiolgicaProtenas, hormonas, antignicos, etc.

Considerando el sistema anterior como una caja negra, la entrada seria el valor verdadero medido de la variable a medir y la salida, el valor medido. Solo en un caso ideal la diferencia entre ambos valores ser nula por lo que siempre cometeremos un error de medida ocasionado ya sea por el ruido por el sistema de medida, interferencias exteriores, desviaciones en los parmetros de componentes, mala calibracin, etc.Error de medida = Ve-VsDonde, Ve = valor de entradaVs = valor de salidaCaso ideal Ve = Vs Em = 0En un sistema de medida tiene tres funciones principales:1.- Adquisicin de datos. La informacin de las variables a medir es adquirida y convertida en una seal elctrica.2.- Procesamiento de datos. Consiste en el procesamiento, seleccin y manipulacin de los datos con arreglos a los objetivos perseguidos. Esta funcin suele ser realizada por un procesador.3.- Distribucin de datos. El valor medido se presenta a un observador (por ejemplo mediante un desplaye) se almacena (por ejemplo, en un disco o bien en un elemento de memoria) o bien se transmite a otro sistema.

Distribucin de datosProcesamiento de datosAdquisicin de datosEntrada Salid Valor verdadero Valor medido

Funciones principales de un sistema de medicin o medidaCon frecuencia la seal procedente del sensor tiene unas caractersticas que lo hacen poco adecuado para ser procesado: seal de pequeo nivel, espectro grande, falta de linealidad, etc. Por lo que se hace necesaria una etapa de acondicionamiento de seal. Dicha etapa contiene las siguientes operaciones bsicas:a) Amplificacin: Incrementar el nivel de potencia de la seal.b) Filtrado: Eliminar los componentes de la seal no deseada.c) Lineacin: Obtener la seal de salida que vare linealmente con la variable que se desea medir.d) Modulo-demodulacin: Modificar la forma de la seal a fin de poder transmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a interferencias durante el transporte.

No linealidadHabitualmente se suele expresar en porcentaje con respecto al alcance y suele denominarse como error de linealidad tngase en cuenta que este error depende de la aproximacin que se haya tenido o realizado.

Presin Medida de la reproductibilidad de las mediciones; esto es dado el valor fijo de una variable, la presin es una medida del grado con el cual las mediciones sucesivas difieren una de otra.ExactitudAproximacin con la cual la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida.Ejemplo Una persona pesa 70 kg se a pesado en dos basculas diferentes: despus de pesarse 5 veces con cada una de las basculas los resultados son los siguientes Cul de las basculas presenta mayor presin y cul de ellas mayor exactitud?165.164.965.065.265.0

272.569.0736768.5

Erro absoluto. Es la diferencia entre el valor medida y el valor exacto en valor absolutoError relativo. Es el error absoluto dividido entre el valor exacto |Ea| = Vm - Ve Er = |Ea / VeIDonde Ea = error absolutoVm = valor medidoVe = exactoEr = valor relativoProblemaObtener el error relativo para una medicin donde el valor a medir es de 250 y el hmetro marca un valor de 235.8 E A= 250 - 235.8 = 14.2 ER=|14.2 | / 250 = 0.0568 Tipos de ErroresErrores graves. Se debe principalmente a fallas humanas en la lectura o en la utilizacin de los instrumentos as como en el registro y clculo de los resultados de las mediciones.Error sistemtico. Por lo general se divide en dos categoras: errores instrumentales, referentes a los defectos de los instrumentos, errores ambientales, debido a las condiciones externas que afectan a las mediciones.Errores aleatorios. Se deben a causas desconocidas y ocurren incluso cuando todos los errores sistemticos se han considerado. En experimentos bien diseados por la general se presentan pocos errores aleatorios por lo que llegan a ser importantes en trabajos de gran exactitud.Sensibilidad. Relacin de la seal de salida a respuesta del instrumento al cambio de la entrada o variable de medida.Resolucin. Es el cambio ms pequeo en el valor medido al cual responde el instrumento.Rango de error. Es la diferencia entre el valor mximo y el valor mnimo medido en un conjunto de valores por ejemplo en el caso de la bscula 1 del ejemplo anterior el rango seria: 65.2 - 64.9 =.3Error promedio. Es igual a la suma de todos los valores obtenidos en un conjunto de mediciones entre la cantidad total de mediciones por ejemplo para la bscula 2 de ejemplo anterior:72.5+68+.73+67+68.5/5=349.5/5=69.9Identificacin y clase de instrumentosLos instrumentos de medicin son relativamente complejos y su funcin puede comprenderse de una mejor manera si estn incluidos dentro de una clasificacin adecuada. Como es lgico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos como es lgico, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones se consideran dos clasificaciones bsicas: la primera relacionada con la funcin del instrumento, la segunda relacionada con la variable del proceso.En funcin del instrumentoDe acuerdo con la funcin del instrumento, obtenemos las formas siguientes: instrumentos ciegos, los cuales no tienen indicacin visible de la variable. Este tipo de instrumentos son de alarma, por ejemplo los presostatos que sirven como interruptor de presin o bien los termostatos que sirven como interruptores de temperatura. Los ejemplos anteriores solo cuentan con una escala exterior para seleccionar el valor de la variable y as ajustar el punto de disparo del interruptor o conmutador.Los instrumentos indicadoresEstos disponen de un ndice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn su amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la variable en forma numrica con dgitos.Los instrumentos registradores Registran con un trazo continuo o a puntos la variable y pueden ser circulares, de grafico rectangular alargado o bien se puede registrar en una computadora.Dentro de esta clasificacin podemos tener o incluir a los sensores, transmisores, transductores, convertidores, receptores y controladores estudiados anteriormente.En funcin de la variable del procesoEn este tipo de instrumentos podemos encontrar a los instrumentos de caudal, nivel presin, temperatura, densidad y peso especifico, humedad y punto de roci, viscosidad, posicin velocidad, ph, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.Documentos de instrumentacinCada disciplina tcnica tiene su propio camino para estandarizar los diagramas descriptivosEl alcance de la instrumentacin es muy amplio, sin embargo existen diagramas que representan las necesidades y los diferentes elementos de un proceso nosotros discutiremos los siguientes tipos de diagramas de instrumentacin:a) Diagramas de flujo de proceso(PFD)b) Diagramas de procesos e instrumentacin (PID)c) Diagramas de Loop Sheetd) Diagramas de funcionesAl ms alto nivel, un tcnico en instrumentacin est interesado en las interpretaciones del proceso de los diferentes elementos como contenedores, pipas, as como el flujo de lo que estos contiene o bien el proceso que le da al fluido. Un diagrama de flujo de proceso representa todas las caractersticas o bien la gran mayora del proceso estos diagramas son muy prcticos para mostrar los elementos ya que no contienen demasiadas especificaciones o bien descripciones, como ejemplo se mostrara un sistema de control para un compresor donde en este ejemplo el agua est siendo evaporada de una solucin bajo un vacio parcial. El compresor entonces transportara los vapores hacia un tambor donde algunos de estos son condensados a su forma lquida. Como un tipo PFD este diagrama mostrara la mayora de las interconexiones entre el contenedor y el equipo pero omitir los detalles acerca de cmo las seales de los instrumentos interactan entre s.

Haciendo una buena suposicin del diagrama anterior podemos decir que el transmisor de nivel (LT) abajo del tanque quizs marque una seal al control el cual mandara una seal al control, el cual mandara una seal de apertura o cierre a la vlvula de nivel (LV) del mismo tanque podemos suponer tambin que el transmisor de temperatura (TT) sea parte del control de temperatura que permite regular la temperatura del vapor. Como podemos observar el PFD muestra la relacin directa que tiene el compresor con el transmisor de flujo (FT). Los diagramas PFD son aceptados ya que su propsito es el mostrar en forma general los componentes del proceso as como el ms mnimo control para la instrumentacin.El prximo nivel de detalle en los diagramas de instrumentacin son los diagramas PID los cuales asocian los instrumentos con los elementos que se van a controlar.

En el diagrama anterior podemos ver con ms detalle todos los elementos o instrumentos que estn alrededor del compresor por ejemplo hay un transmisor diferencial de presin (PDT---diferencial pressize transmitter) un controlador indicador de flujo (FIC---flow indicating controller etc.) nosotros adicionalmente podemos ver que el transmisor de de flujo el controlador de flujo el transmisor de presin y la vlvula de flojo tienen en comn el numero 42 este nmero es el nmero de lazo que indica que estos 4 instrumentos son parte de un mismo sistema de control por lo tanto las instrucciones con los nmeros 41, 43 pertenecern a un sistema diferente de control se hace nota tambin las diferencias mostradas en las burbujas algunos crculos son abiertos y otras tienen lnea atravesando por en medio de ellas cada uno de estos smbolos tiene un significado de acuerdo ala (ISA intrumentation sistem and automation socceti). De acuerdo a la burbuja asada cada instrumento nos ara referencia acerca de su localizacin la caja rectangular que encierra a los dos grabadores de temperatura nos indica que ambos son parte del mismo instrumento fsico.Diagramas de LoopEstos diagramas loop son conocidos tambin como hojas lup. Nosotros no solamente tenemos transmisores controladores o vlvulas dentro del proceso. Nosotros encontraremos diferentes tipos de seales que vienen de los controladores o de los traductores tambin nosotros encontraremos cables y terminales relacionadas con los tipos diferentes elementos dentro de proceso. Es por esto que un diagrama loop se hace interesante ya que dicho diagrama nos mostrara con ms detalle los valores de las seales utilizadas, algunas veces especificaran las entradas y salidas de la calibracin de cada uno de los elementos en el sistema.Diagramas funcionalesEste tipo de diagramas nos permiten describir las funcionalidad de un sistema de control enfocndose en el flujo de informacin dentro del proceso ya sea con la tubera o bien con las interconexiones de los instrumentos a travs de los cables un ejemplo de un diagrama funcional se muestra a continuacin donde podemos ver que un transmisor de flujo (FT envi la seal de la variable del proceso a un controlador PID el cual manda y manipula una seal de vlvula de control de flujo FV.

Los diagramas funcionales son algunas veces referenciales ala (SAMA) en honor a la organizacin responsable por su estandarizacin esta asociacin ha sido sustituido por la (WCAA) por lo tanto el acrnimos SAMA ha quedado obsoleto.Hasta este punto nosotros hemos explorado varios tipos de diagramas de instrumentacin el cual hace referencia a los diferentes tipos de instrumentos los cuales se identifican a travs de letras como (TT transmisor de temperatura) PTD o bien un FV el cual es una vlvula de flujo parte de la ISA 5.1 es el de estandarizar en una manera mas formal las letras utilizadas para identificar los instrumentos lo cual nos permitir que cada instrumento de planta tenga su propia etiqueta consiste en letras que nos permitirn saber el elemento de instrumento asi tambin como un numero identificado a que lup pertenece por ejemplo si nosotros tenemos un instrumenta con la etiqueta FC-135 nosotros sabramos que este es un controlador de flujo que pertenece a lup-135 las letras validas reconocidas por la ISA para definir la variable primaria del proceso de un instrumento dentro de un lup son mostradas en la siguiente tabla LetterVariableModifier

AAnalitical(composition)

BBurner or combustin

CUser defined

DDiferentia

EVoltaje

FFlowRatio or fraction

GUser defined

HHand manual

ICurrent

JPower

KTime or scheduleTime rate of change

LLevel

MUser defined

NS

O

PPosure or vacuum

QQuantityTime integral totsafetyal

RRadation

SSpeed or frecuenci

TTemperatura

UMulti-funtion

VVibration

WWerght or forc

XUnclasiedx-axis

YEvent state or represencey-axis

ZPosition or dimensionz-axis

Se hace nota que el huso del modificador define una nica variable por ejemplo: un PT es un trasmisor midiendo presin en un solo punto del proceso como por le contrario un PDT estar medicioncita del proceso en dos puntos diferentes del proceso las letras siguientes que se describen en la etiqueta de los instrumentos describirn las funciones que el instrumento realizo en relacin con la variable de proceso por ejemplo un PT es un instrumento que esta transmitiendo una seal que est representando a la presin as como un PC que es un controlador para la presin cave ser mencin que muchos instrumentos tienen multiplex flexiones designadas por mltiples letras tales es caso de un TRS que es un controlador que grava los valores se la temperatura LetterPassive FunctionActive FunctinModifier

AAlarm

BUser dfinedUser-definepUser-definep

C

EElement sensine

GGlass or vierport

HHigh

IIndicate

KControl station

LLingtLour

MMiddle or intemediante

NUser-definedUser-definedUser defined

OOrifice

PTest point

RRecord

S

TSwitch

UMultifuntionMultifuntion

VValve

WWell

XunclassifiedUnclassifiedunclasified

YRelay compute convert

ZDriver actuator or unclassified final control element

Cuando tenemos el caso de tres letras o ms la primera letra representara la posicin pasiva lo cual se dice as por que usualmente es provedo por un operador humano mientras que la segunda letra representara la funcin activa la cual estar automatizada.