PARAMETROS DE UN INSTRUMENTO DE MEDICION: EXACTITUD, PRESION, RASGO, ERROR, GAMA, HISTERESIS

PARÁMETROS DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES

Medición del instrumento

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos.

Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.

En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.

En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.

El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.

El sistema de control exige pues, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control. El bucle puede ser abierto, tal como se ilustra en la figura 1, un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia eléctrica sumergida. El bucle puede ser cerrado, un bucle cerrado representativo lo constituye la regulación de temperatura en un intercambiador de calor, tal como se muestra en la figura 2.

    Figura 1. Bucle abierto de regulación

                    Figura 2. Bucle cerrado de regulación

En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final. Estos elementos y otros adicionales se estudiarán en el resto del capítulo, considerando las características propias del instrumento y las clases de instrumentos que se emplean en los procesos industriales.

Error del instrumento

Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. 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 de la variable 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, pozo, casquillo), 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.

Alcance (span)

Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento de temperatura de la figura 3, su valor es de 200° C.

Figura 3. Definiciones de los instrumentos

Incertidumbre de la medida (uncertainty)

Son los errores que existen necesariamente al realizar la medida de una magnitud, los cuales dan valores inciertos (casuales o sistemáticos), la incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

Repetibilidad (repeteability)

La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice 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. 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 3b).

Precisión (accuracy)

La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias formas para expresar la precisión:

a) Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en el instrumento de la figura 3, para una lectura de 150 °C y una precisión 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: Precisión de ± 1°C;

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

d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: Precisión 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 4.3 es de 150 mm., la precisión de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm. en la escala.

La precisión 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 precisión de ± 1 % en toda la escala y de ± 0,5 % en la zona central.

Cuando se desea obtener la máxima precisión 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 precisión situado en un baño de temperatura constante a 80 °C, puede ser calibrado a este valor, de modo que su precisión 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 precisión se apartará de ± 1 %.

Hay que señalar que los valores de precisión 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 precisión 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.

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 condiciones especificadas. De esta forma, si el rendimiento especificado proporciona una lectura de un 2% cuando se realiza una medida, entonces el instrumento proporcionará este nivel de exactitud siempre que se utilice la misma medida.

Reproducibilidad o estabilidad

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.

Sensibilidad (sensitivity)

Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 3 es de ± 0,05 % su valor será de 0,05 X 200/100 = ± 0,1 °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 del instrumento».

Sensibilidad =	Cambio en la cantidad que se esta midiendo
	Cambio en la lectura de la escala del instrumento

Resolución o discriminación

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.

Campo 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 o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo: el campo de medida del instrumento de temperatura de la figura 3 es de 100-300 °C.

Espacio muerto o banda 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 4.3 es de ± 0,1 %, es decir, de 0,1 X 200/100 = ± 0,2 °C.

Umbral

Cuando la magnitud objeto de medida aumenta gradualmente partiendo de cero, es posible que tenga que alcanzar un nivel mínimo antes de que el instrumento responda y proporcione una lectura perceptible.

Desplazamiento del cero

Ocurre cuando la medida cero no coincide con el cero de la escala, lo normal es que sin sensar ninguna variable, se debe leer cero del instrumento. Este problema puede cambiar con el tiempo.

De esta forma, por ejemplo, un medidor que tenga un día su aguja en la marca cero, un mes más tarde puede indicar una lectura menor que cero a pesar de que no ha sido utilizado para realizar ninguna medida.

Demora

Cuando la magnitud que está siendo medida cambia, puede transcurrir un cierto tiempo, llamado tiempo de respuesta, antes de que el instrumento de medida responda a dicho cambio.

Histéresis (Hysteresis)

La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento 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 el instrumento de la figura 3 c es de ± 0,3 % su valor será de ± 0,3 % de 200 °C = ± 0,6 °C. En la figura 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.

Función de transferencia

Es la relación matemática, gráfica o tabular entre las expresiones función de tiempo de las señales de salida y de entrada a un sistema o elemento. Equivale también al cociente de las transformadas de Laplace de las funciones de respuesta y de excitación.

Calibración

Es el proceso de colocar marcas en un visualizador o comprobar un sistema de medidas según unos estándares, cuando el transductor se encuentra en un medio definido.

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.

Temperatura de servicio

Es el campo de temperatura en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de los límites de error especificados.

Vida útil de servicio

Es el tiempo mínimo 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.

 TERMINOLOGÍA

A la hora de utilizar un instrumento entran en juego una serie de términos relacionados con la medición. Estos parámetros caracterizan cada instrumento y entre ellos podemos destacar:

1. Exactitud: Aproximación con que la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida. 
2. Repetibilidad (precisión): Capacidad de un instrumento de dar siempre un mismo resultado al medir la misma magnitud. 
3. Resolución: Cambio más pequeño en el valor medido al cual responde el instrumento. 
4. Sensibilidad: Respuesta de un instrumento respecto a un cambio en la variable medida.

No debemos confundir los términos precisión (repetibilidad) y exactitud. La precisión no garantiza la exactitud, pero la exactitud necesita de la precisión. Mientras que la exactitud está referida al grado de aproximación entre el valor medido y el valor real, la precisión especifica el grado de concordancia de un conjunto de medidas.

La exactitud de los instrumentos depende del tipo de presentación de las medidas, analógicas o digitales. En indicadores analógicos este se da en % a fondo de escala (por ejemplo 3% a fondo de escala), mientras que en indicadores digitales se expresa en % más un número de conteos del dígito menos significativo (por ejemplo 0,05% +/- 1 dígito).

La resolución en instrumentos de presentación analógica es la típica de los sistemas gráficos y escalas ( unos 0,3 mm ), sin embargo en los de presentación digital esta se corresponde con el significado del dígito menos significativo. Así, un amperímetro cuyo rango va desde 000,0 μA a 199,9 μA tiene una resolución de 0,1 μA. El aumento de la resolución de un instrumento depende de la sensibilidad y la aplicación. Así, en el ejemplo anterior, si se aumenta la resolución en 0,001 μA, y la sensibilidad del amperímetro es menor, los dos últimos dígitos responderán más a interferencias y ruido que a cambios producidos en la entrada.

EJEMPLO:

Cuatro tipos:

1. Instrumentales: Por ejemplo, un instrumento mal calibrado como un termómetro que lee 102 °C cuando está sumergido en agua hirviendo y 2 °C cuando está sumergido en agua helada a presión atmosférica. Tal termómetro producirá mediciones que son consistentemente demasiado altas.

2. De observación: Por ejemplo, de paralaje en la lectura de una escala métrica.

3. Del medio ambiente: Por ejemplo, una baja de tensión eléctrica que causa corrientes medidas que son consistentemente muy bajas.

4. Teóricas: Debidas a simplificaciones del sistema modelo o aproximaciones en las ecuaciones que lo describen. Por ejemplo, si una fuerza de fricción está actuando durante el experimento pero no está incluida en la teoría, los resultados estarán en desacuerdo consistentemente.