Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica

Por Alfredo José Constain Aragón y Efraín Bernal Alzate

Este texto recoge las experiencias de los autores en su desempeño profesional y docente en la materia de instrumentación electrónica e industrial. Comprende, además de un enfoque compacto sobre la esencia del diseño electrónico (hardware y software) de los sistemas de instrumentación, una serie de temas no tratados en la bibliografía corriente sobre la materia, que clarifican conceptos importantes como: interpretación y definición de las incertidumbres de los sistemas de medición que se diseñan o manejan, aplicación de la retroalimentación negativa y discusión en detalle de algunos componentes discretos importantes. Finalmente se expone la nomenclatura para la elaboración de diagramas.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad de La Salle
• Fecha de lanzamiento: 10 ago 2020
• ISBN: 9789588939735

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prácticos.

FUNDAMENTOS

Definición

La instrumentación electrónica comprende más que el conocimiento de un recetario de circuitos, incorpora la habilidad para concebir, realizar y finalizar exitosamente aparatos de medición que estén en relación con el entorno en el cual van a operar, y presenten una fiabilidad y un cuadro de especificaciones acorde con las expectativas del usuario final. Para lo anterior, se requieren bases en cuanto a la teoría de las mediciones y ejercer las buenas prácticas del diseño electrónico. Este diseño será orientado ya no a las características básicas de los dispositivos y circuitos (que se estudian en el curso de Electrónica), sino a obtener errores mínimos y precisión en los esquemas.

El diseño, la construcción y la operación de instrumentos electrónicos exigirán al especialista electrónico poner sus ideas en términos de las especificaciones de los equipos. Este curso, por lo tanto, desarrolla ideas orientadas al aspecto funcional de los equipos.

El concepto moderno de sistema de medición (en particular el que debe diseñar u operar un ingeniero de diseño y automatización electrónica) es más amplio y complejo que el solo conocimiento y operación del equipo que toma la información física y la convierte en información numérica, como fue en la época del desarrollo de los equipos electrónicos (primera mitad del siglo XX). Hoy día, el diseño de un sistema exitoso que mida y se acople a los lazos cerrados de control de la industria moderna, requiere un profundo conocimiento también del entorno sobre el cual opera el instrumento (figura 1).

Los sistemas modernos de control que incluyen como un segmento la instrumentación, requieren un conocimiento integrado equipo-medio ambiente para poder caracterizar (y utilizar) la compleja información que de allí se derivará. Estos diferentes segmentos no son aislados ni autónomos.

Figura 1. Enfoque integral de un sistema de medición

Fuente: elaboración propia.

Se puede afirmar que un sistema de control será tan bueno como la instrumentación electrónica que emplee, pero, más aún, un sistema de control exitoso requiere un conocimiento profundo del proceso físico que se quiere conocer y controlar.

Instrumentos

Esquema general de un instrumento

Desde un punto de vista general, un instrumento puede verse como un sistema interconectado con el exterior. El exterior se comunica con el interior a través de una interfaz especial denominada transducción, porque hay una traducción de un tipo de energía a otro, normalmente de tipo eléctrico o luminoso. Esta interfaz es muy importante, pues se constituye en el método de medición.

A veces, un determinado método de medición debe ser cambiado por otro para mejorar ciertos aspectos del proceso de medición. Industrialmente, ya existen parámetros bajo normatividades internacionales que regulan y recomiendan el uso de métodos de medición específicos para cierto tipo de variables por medir.

La selección del método de medición es primordial para obtener una adecuada calidad en el sistema global de medición. Se dice que cada método de medición tiene entonces una precisión (calidad de la medida) asociada.

Se dispone del instrumento en cuanto haya la necesidad de conocer datos numéricos de algún parámetro del exterior. El diseñador deberá conocer aspectos del fenómeno exterior por medir, y, por supuesto, aspectos interiores del instrumento por fabricar o probar (figura 2).

Figura 2. Interacción interna-externa por conocer en un instrumento

Fuente: elaboración propia.

Ahora se detallará el segmento aislado llamado instrumento: un instrumento de medida industrial o electrónico, desde el punto de vista de su construcción interna, puede descomponerse en diferentes bloques o componentes. Esta representación se ilustra en la figura 3.

Figura 3. Partes de un sistema de medición

Fuente: elaboración propia.

El transductor, llamado por algunos autores el sensor, es el punto por el cual ingresa la información al segmento instrumento; su construcción o características son específicas para ser relevantes con el parámetro que se quiere medir. En este texto se hará un recuento con cierto detalle de los principales transductores utilizados en la industria moderna. El bloque de procesamiento es el que aporta la inteligencia al instrumento, pues este opera de distinta manera sobre la información aportada por la entrada. Por último, la utilización es el bloque general en el que se da una aplicación a la información tomada y procesada por los anteriores bloques. Esto puede incluir el despliegue simple, la transmisión, el almacenamiento y un procesamiento ulterior también. Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y son de diferentes tipos.

El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o liviano. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir que día tras día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.

Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de los sensores sin sus acondicionadores de señal; normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar, procesar y actuar con dichas medidas.

En general, se habla de sensores, pero se puede distinguir la siguiente definición. Sensor: es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Además, los sensores pueden ser activos o pasivos:

•Sensor activo: es un sensor que requiere una fuente externa de excitación como las RTD o células de carga.

•Sensor pasivo: es un sensor que no requiere una fuente externa de excitación como los termopares o fotodiodos.

Asimismo, el transductor es un convertidor de un tipo de energía a otra. En algunos casos, ciertos transductores pueden considerarse directamente como sensores, por ejemplo, en el caso de la termocupla o termopar, que convierte la energía térmica en energía eléctrica.

Por el tipo de circuitería utilizada y por el concepto operativo distintivo de la operación, un instrumento electrónico puede describirse de forma esquemática como se muestra en la figura 4:

Figura 4. Tipo de circuitos en un instrumento

Fuente: elaboración propia.

Desde el punto de vista de su potencia y flexibilidad, un instrumento puede entenderse como compuesto de las siguientes partes. La parte hardware o alambrada es menos compleja y potente que su contraparte programada o de software. El software va a implicar no solo la codificación de la información, sino también la presencia de algoritmos y rutinas de instrucciones cada vez más abstractas (figura 5).

Figura 5. Relación de la parte física y la parte abstracta

Fuente: elaboración propia.

Procedimiento de diseño de un instrumento

Aunque no se puede enseñar estricta y detalladamente cómo diseñar un instrumento, sí se pueden establecer ciertos criterios generales, en especial, teniendo en cuenta la vasta experiencia anterior de técnicos e ingenieros, específicamente: ¹

•Es importante tener una idea del diagrama general de bloques del sistema y requisitos restrictivos (o especificaciones) que se quieren diseñar. Este ejercicio ayudará a delimitar el trabajo. De esta forma, se sabrá si es un equipo limitado o grande, y qué tipo de aplicación básica se tendrá (alta frecuencia, alta potencia, etcétera).

•Después es interesante enfocar los niveles de voltaje, corriente o potencia que el sistema deberá manejar. Esto es importante teniendo en cuenta el tipo de fuente de señal y el tipo de aplicación que se quiere desarrollar. Este análisis ayudará a escoger la tecnología por emplear, y a resolver problemas específicos de interfacing .

•En seguida es interesante enfocar qué porcentaje del circuito debe ser análogo y cuál porcentaje debe ser digital. Aquí se enfrenta el problema de los niveles de complejidad que alcanzará el sistema.

•Después, se plantea una búsqueda de la literatura técnica corriente tratando de encontrar diseños previos que cumplan cabalmente los objetivos buscados.

•Por último, se plantea un diagrama de flujo para precisar todo lo anterior, incluyendo la parte experimental (figura 6).

•Una vez realizado el diagrama se considera el circuito básico acabado.

Otros aspectos importantes por tener en cuenta:

•¿Construido o comprado?

•¿Qué grado de integración debe tener?

Muchas veces el equipo que se quiere está ya en el mercado y el ingeniero debe tomar la decisión sobre volverlo a diseñar y a construir. Esto podría implicar altos costos de desarrollo, una menor calidad por ausencia de pruebas industriales y un tiempo excesivo hasta que el equipo esté disponible. Otro punto importante es si usar integrados de nueva generación (mayor integración) que implican mayor sencillez y fiabilidad, pero mayor costo y difícil consecución en un mercado como el colombiano (figura 6).

Figura 6. Flujograma para el diseño de un circuito

Fuente: elaboración propia.

Por otra parte, muchas veces se discute sobre la necesidad de aplicar la teoría de circuitos en el diseño de los instrumentos. Este paso actualmente se realiza mediante la simulación o modelación final del instrumento, con ayuda de herramientas software disponibles en el mercado. Una aplicación oportuna de esta parte del desarrollo puede dejar al descubierto ciertos problemas, como por ejemplo, la estabilidad de los circuitos, que en un primer momento, por la complejidad del tema, no es posible identificar ni darle la adecuada importancia. Otra advertencia que es necesario poner de presente es que los circuitos que tendrán que manejarse están llenos de defectos y problemas como la no linealidad y la distorsión.

Para lograr una mejora considerable de los prototipos finales del instrumento diseñado, se tendrán que aplicar medidas correctivas que incluyen técnicas especiales como la retroalimentación negativa, o de bloques correctores como los amplificadores inversos, por ejemplo, en el caso de los termistores que tienen una característica exponencial decadente, y para linealizarlos se puede poner un amplificador logarítmico con parámetros que se acomoden al del dispositivo en examen. Por último, se pueden realizar arreglos de resistencias serie-paralelo que ayuden a enderezar esta característica.

Aplicar el correctivo adecuado va a requerir de intuición, conocimiento, y cierta dosis de paciencia. Una tendencia que irá creciendo es la de integrar cada vez más los circuitos (circuitos más densos) y también de disponer cada vez más de una mayor proporción de subsistemas digitales, ya que por su naturaleza, las técnicas digitales pueden llegar a ser más poderosas en tanto que permitan un mayor manejo de la información, lo que no ocurre con las técnicas analógicas (por ejemplo, almacenamiento, transmisión, despliegue y corrección). Por otro lado, no se debe olvidar que el mundo es analógico, y que por más que se quiera, todo circuito electrónico siempre tendrá un componente de esta naturaleza.

Otro punto que se plantea es cuál debe ser el porcentaje de hardware-software que debe tener un instrumento. En este punto del desarrollo del estado del arte, es claro que teniendo en cuenta las inmensas potencialidades en cuanto a almacenamiento, transmisión, proceso y despliegue que ofrecen las técnicas de software, este tipo de equipo debería ser preferido, ya que a partir de volúmenes y costos muy pequeños, el diseñador dispone de una serie de herramientas y facilidades que en las técnicas análogas o alambradas no son posibles. A estos instrumentos se les consideran virtuales, y un buen ejemplo son los que nos ofrece la plataforma de Labview del fabricante National Instruments.

Aplicaciones de la instrumentación

Hoy en día los sistemas de medición están lejos de ser sistemas stand alone (autónomos), por el contrario, actúan integrados en lazos cerrados en los que se aplican los principios del control basado en programas y, haciendo un seguimiento en tiempo real de los eventos industriales, esto se puede apreciar en la figura 7.

Figura 7. Operación integrada de un instrumento

Fuente: elaboración propia.

Este tipo especial de interrelación implica varios temas especiales que no tiene un sistema de medida stand alone. En primer lugar, las características propias del sistema de medición (el llamado instrumento electrónico) imponen ciertas limitaciones al sistema global, pero además, la acción propiamente dicha del proceso impone adicionalmente otras limitaciones (bien sea por propiedades dinámicas inherentes e insoslayables, o por defectos e incertidumbres en su modelación o su calibración). Esto hace que todos estos elementos en proyectos complejos deban ser tomados en conjunto. Parte fundamental de la tarea del ingeniero de instrumentación electrónica es identificar y tratar la totalidad de estos factores. Particularmente importante es la definición y caracterización de errores en la instrumentación, pues estos delimitarán en primera instancia la capacidad de un determinado instrumento para cumplir con idoneidad una tarea específica.

Enfoque moderno de la instrumentación

Como se ha explicado repetidamente, hoy en día un sistema de medición no puede concebirse únicamente como instrumento, sino que debe incluir la propia identidad del método de medición. Cada método se caracteriza por una forma específica de convertir la energía del proceso en energía utilizable (eléctrica u óptica) dentro del instrumento. Existen tanto métodos de medición como principios físicos de conversión de la energía. Cada principio físico de conversión tiene asociada:

•Una sensibilidad que define una discriminación de los pasos más pequeños de la magnitud que se convierte.

•Un nivel de ruido o fluctuación propia de la naturaleza del proceso, o del estado termodinámico en el cual se encuentra.

Las dos anteriores características no son independientes la una de la otra, y, por el contrario, la segunda muchas veces condiciona la primera. Así, aunque un principio físico de conversión de energía sea muy sensible, si este está asociado por cualquier circunstancia con un nivel alto de fluctuación, la calidad de la medición se degradará, y, a veces, se hará necesario cambiar de principio, por otro que, aunque no sea tan sensible, tenga un nivel de fluctuación más bajo, de forma que sea más aprovechable.

Una tarea básica de un diseñador de sistemas de medición es examinar las alternativas que se tienen para implementar la interfaz de medición (método de medida). Es necesario analizar los aspectos de sensibilidad y fluctuación.

Los ruidos presentes en un determinado método de medición no solo son fluctuaciones (o sea, variaciones indeseadas). Algunas veces estas imperfecciones de la medición tienen un carácter continuo, o sea, tienen un sentido. Errores con un sentido se denominan sistemáticos o errores por bias.

Selección del método de medición

Es necesario que el diseñador conozca apropiadamente las diversas alternativas de conversión de la energía del fenómeno que quiere caracterizar, para poder luego caracterizar la sensibilidad y la influencia de las fluctuaciones. Esto dependerá de factores como:

A. La especificidad del método de conversión escogido

Un método poco específico compite con varios efectos iguales o similares. Un método muy específico es aquel que no compite con efectos similares o iguales. Por ejemplo, cuando se miden trazadores (que consiste en el vertimiento súbito de solutos en un flujo para hacer un seguimiento posterior de la mancha que avanza en dicho flujo) se puede utilizar el método de medición de la conductividad (haciendo un vertimiento de una sustancia iónica como la sal común, cloruro de sodio) o el método de medición de fluorescencia (vertiendo una sustancia especial llamada rodamina). El primero debe competir con varias fuentes de sustancias iónicas en el flujo, mientras que si se utiliza rodamina, esta sustancia artificial es única, y, entonces, la sensibilidad es más alta en el segundo caso. ²

Las fluctuaciones en ambos casos pueden ser comparables, solo que en el caso de la fluorescencia, la utilización de cubiertas opacas puede disminuir drásticamente esta influencia negativa. La fluctuación en muchos sistemas está ligada al estado termodinámico del sistema. Así, por ejemplo, si son fluidos, la turbulencia será una fuente muy importante de fluctuación.

B. La naturaleza propia del proceso de conversión

Dependiendo de las constantes físicas involucradas, o de las estructuras en uno u otro sentido, algunos procesos son más sensibles que otros, por ejemplo, la detección de temperatura es más sensible utilizando semiconductores que metales. Si se utiliza un fototransistor, la captación de señales luminosas será más sensible que si se utilizan fotodiodos.

En el diseño de instrumentos electrónicos participando en sistemas globales de medida, la selección de la interfaz del transductor toma una gran importancia, ya que allí se define el método de medición, y con este, la sensibilidad y las fluctuaciones asociadas.

Análisis de errores

Aunque típicamente este es un tópico que se estudia en la estadística matemática en relación con la técnica de tratamiento de datos físicoquímicos, para un ingeniero de sistemas de medición es un tema absolutamente esencial. A continuación, analizaremos diferentes aspectos relacionados con el análisis de errores en instrumentación.

Errores en la operación de instrumentos

El diseño y la operación de instrumentos electrónicos tiene por objeto la toma de datos del mundo exterior, el cual, como sabemos, se modela mediante relaciones matemáticas que reflejan sus regularidades físicoquímicas. El manejo de datos de este tipo ³ debe ser entonces un tema que en su esencia deben dominar los diseñadores de instrumentos para poder caracterizar adecuadamente los aparatos que proyectan y operan. Es, por lo tanto, muy importante que los ingenieros de diseño tengan una actitud crítica frente a los datos que recogen por medio de sus instrumentos, sabiendo cuál es el grado de confiabilidad con que pueden asumir estos datos. ⁴

Infortunadamente, los datos provenientes del proceso exterior están contaminados de infinidad de fluctuaciones que obligan a aceptar una incertidumbre esencial, y que obligan también a la utilización de modelos probabilísticas para una cuantificación de la confiabilidad.

La inmensa mayoría de las magnitudes que se utilizan en los cálculos científicos son aproximadas: los pesos atómicos y los valores de las funciones termodinámicas, todas las propiedades físicas medibles y todas las características calculadas con base en estas. Además, casi todas las constantes puramente matemáticas (por ejemplo, ε y π), así como los resultados de las operaciones matemáticas (algébricas y trascendentes) son números para los cuales, en principio, no se puede establecer un valor exacto, y deberemos limitarnos a considerarlos compuestos solo de un limitado número de cifras significativas. Al ejercicio de considerar o calcular el número apropiado de cifras significativas para un dato físico se le llama redondeo. No obstante, la operación de todo instrumento está sujeta a la presencia de errores; por tanto la identificación y la cuantificación de estos errores es una tarea primordial del diseñador de los instrumentos electrónicos.

Errores absolutos y errores relativos

Al redondear un dato a un número dado de cifras significativas se comete un error absoluto, como se muestra a continuación:

Aquí A es el valor exacto del dato físico y a es el valor aproximado (redondeado) de ese mismo dato. El error absoluto se llama ε. Estas relaciones usualmente se escriben como: ⁵

Ejemplo 1:

Se mide la temperatura con un termómetro que tiene una precisión de ± 0,1 ºC, y la lectura es de 20 ºC. El dato deberá expresarse como:

El error absoluto es una primera forma de efectuar una crítica sobre la inexactitud de las medidas que el experimentador hace. Hay una forma mejor que es definir el error relativo, como se hace en la siguiente ecuación:

O en su versión porcentual:

Ejemplo 2:

Supóngase que se mide un voltaje con un voltímetro lineal cuyas separaciones (divisiones) se hacen cada tres voltios y su máximo voltaje (escala) es de 300 V. Si se supone que a simple vista el experimentador puede distinguir la mitad de una división, entonces su error relativo será:

Ahora, si mide un voltaje de 75 voltios, su error relativo será: