Simbología ISA

La simbología ISA es un estándar que fue propuesta por La Sociedad de Instrumentación americana ISA (sus siglas en ingles Instruments Society of America) que ha día de hoy se conoce como Sociedad de instrumentación, sistemas y automatización con el fin de interpretar los dispositivos, variables y etapas de un proceso industrial por medio de símbolos, términos y diagramas normalmente utilizados en este ámbito. La simbología ISA es empleada en los diagramas P&ID, los cuales se definen como diagramas de tuberías e instrumentación (DTI) conocidos en inglés como piping and instrumentation diagram/drawing (P&ID). Estos diagramas representan visualmente el flujo del proceso en las tuberías, además de mostrar los equipos instalados y el instrumental utilizado.

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IDENTIFICACIÓN DE LA SIMBOLOGÍA ISA

En la simbología ISA se utiliza un código alfanumérico para la identificación de las características del instrumento utilizado en donde la primera letra corresponde a la variable mesurada. La segunda letra representa la función de lectura. La tercera letra corresponde a la función de salida. El número significa el lazo de control al que pertenece y opcionalmente puede existir un número adicional que representa el número de panel.

Imagen tomada de https://tableroalparque.weebly.com/uploads/5/1/6/9/51696511/2_diagramas_p_id.pdf

 

 

 

La siguiente tabla muestra los significados que pueda tener cada una de las letras del código alfanumérico y su significado dependiendo de la posición donde se encuentre

Tomada de https://tableroalparque.weebly.com/uploads/5/1/6/9/51696511/2_diagramas_p_id.pdf

Para representar las señales y líneas en los procesos, la simbología ISA estable los siguientes diagramas:

 Imagen tomada de https://tableroalparque.weebly.com/uploads/5/1/6/9/51696511/2_diagramas_p_id.pdf

Interpretación de las especificaciones de los instrumentos

 

Son una serie de instrucciones y aclaraciones que los fabricantes facilitan para que el operario del instrumento de medición realice una correcta lectura de los resultados que el instrumento realice ya que por mejor que sea el instrumento de medición la exactitud tiene sus restricciones por ende el fabricante debe ser claro en todas las escalas de medición.

Cuando se presenta la información de la lectura es importante conocer la cantidad de dígitos que nuestro instrumento de medición tenga.

Imagen tomada de https://electricistas.cl/resolucion-y-rango-en-un-medidor-digital-multimetro/

De esta manera, un multímetro de 3 dígitos se compone de un contador de 1000 cuentas, lo que significa que puede contar desde 000 hasta 999. Por otro lado, un multímetro de 4 dígitos tiene un contador de 10000 cuentas (desde 0000 hasta 9999). En el caso de un multímetro de 2000 cuentas (de 0000 a 1999), se le conoce como un multímetro de 3 ½ dígitos, ya que el dígito más significativo (el de la izquierda) solo puede tener un valor de 0 o 1. En este convenio de fracción m/n, m representa el valor máximo que puede tomar el dígito más significativo, y n indica la cantidad de estados diferentes que puede tener. Por ejemplo, en un multímetro de 3 ¾ dígitos (4000 cuentas), el dígito más significativo puede tomar un valor máximo de 3 y tiene 4 estados distintos (0, 1, 2 y 3).

El error de la lectura se puede calcular mediante las siguientes expresiones:

Amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial voltaje-voltaje compuesto por un arreglo de tres amplificadores operacionales compuesto por una etapa de preamplificacion y un amplificador diferencial. El amplificador de instrumentación cumple con las siguientes características:

• Ganancia: seleccionable, estable, lineal.

• Entrada diferencial: con CMRR (Razón de rechazo en modo común) alto.

• Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset

• Impedancia de entrada alta

• Impedancia de salida baja

El amplificador de instrumentación normalmente es utilizado para:

• Acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.

• Amplificar señales eléctricas biológicas, por ejemplo, en electrocardiogramas.

Imagen tomada de: http://www.unet.edu.ve/~ielectro/Amplificador_Instrumentacion.htm

En donde la salida del amplificador de instrumentación será:

PUENTES DE MEDICIÓN

 

Los puentes de medición son circuitos usados para medir parámetros eléctricos como la resistencia, capacitancia e inductancia con alta precisión mediante el equilibrio de voltaje o corriente en el circuito. Normalmente son diseñados a través de la conexión en paralelo de dos divisores de voltaje.

Algunos de estos puentes son:

•Puente de Wheatstone

•Puente de Kelvin

•Puente Doble de Kelvin

•Puente de Maxwell

•Puente de Hay

•Puente de Owen

•Puente de Schering

•Puente de Wien

Puentes en DC

Puente de Wheatstone

Es uno de los puentes más comunes y simples para encontrar la resistencia. Este puente se utiliza donde se miden pequeños cambios en la resistencia, como en las aplicaciones de sensores. Se utiliza para convertir un cambio de resistencia en un cambio de voltaje de un transductor.

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

El puente estará en equilibrio cuando Rx cumpla la siguiente relación

Puente de Kelvin

Se ideó el puente de kelvin para una solventar una limitante que tenía el puente de Wheatstone la cual era medir niveles bajos de resistencia debido a las resistencias internas de los conductores del puente.

Imagen tomada de: http://ingsergiocalderon.blogspot.com/2012/11/puentes-de-medicion.html

 

Si el galvanómetro se conecta en el punto p, entre los puntos m y n, de manera que la relación de resistencia de n a p y de m a p sea igual a la relación de los resistores R1 y R2, entonces:

La resistencia del alambre de conexión entre R3 y Rx, denominada Ry, juega un papel importante en la medición. Hay dos posibles conexiones para el galvanómetro: el punto m y el punto n. Si el galvanómetro se conecta en el punto m, la resistencia de Ry se suma a Rx, lo que da lugar a una indicación mayor que el valor real de Rx. Por otro lado, si el galvanómetro se conecta en el punto n, la resistencia de Ry también se suma a Rx, lo que produce un valor de Rx más bajo de lo que debería ser. Esto se debe a que el valor real de R3 es más alto que su valor nominal debido a la resistencia de Ry.

Sin embargo, si el galvanómetro se conecta en el punto p, que se encuentra entre los puntos m y n, de manera que la relación de resistencia entre n y p sea igual a la relación de resistencia entre m y p (es decir, la misma proporción que los resistores R1 y R2), La ecuación de equilibrio queda:

Es importante destacar que el puente de kelvin es utilizado para medir resistores con valores óhmicos por debajo de 1 ohmio

Puente doble de kelvin

El puente doble de Kelvin, también conocido como puente de medición de resistencia de seis terminales, es una variante del puente de Kelvin que se utiliza para medir resistencias con una precisión aún mayor. Al igual que el puente de Kelvin convencional, el puente doble de Kelvin se utiliza para eliminar la resistencia interna de los cables de medición y minimizar los efectos de las resistencias de contacto.

El puente doble de Kelvin se compone de cuatro brazos o ramas de resistencias, dos de las cuales se utilizan para aplicar una corriente conocida a través de la resistencia desconocida y las otras dos para medir la caída de voltaje en la resistencia desconocida. Además, se agregan dos terminales adicionales para medir la caída de voltaje en las resistencias de contacto.

Imagen tomada de: https://bloginstrukarime.wordpress.com/2013/04/20/puente-doble-de-kelvin/

Este puente funciona bajo la condición de que la relación entre R1 y R2 es la misma entre a y b. Llegando a una ecuación de sensibilidad de la forma:

Es importante destacar que Se usa para medir resistencias muy bajas que van desde aproximadamente 1Ω hasta 0,00001Ω.

Puentes en AC

Puente de maxwell

El puente de Maxwell es particularmente útil para comparar la inductancia de un componente con la capacitancia de otro. Esto se debe a que los capacitores convencionales tienden a ser más cercanos a patrones de reactancia sin pérdidas que los inductores. Además, la ecuación de equilibrio del puente de Maxwell para la componente inductiva no depende de las pérdidas asociadas con la inductancia ni de la frecuencia de medición.

Imagen tomada de: http://www1.frm.utn.edu.ar/medidase1/practicos/puentes_corriente_alterna.pdf

Puente de Schering

El puente de Schering se utiliza para medir la capacidad y el factor de disipación de condensadores. La ecuación de equilibrio del puente de Schering es utilizada para determinar estos valores.

Imagen tomada de: http://ingenieriaelectricafravedsa.blogspot.com/2014/11/puente-schering.html

Sistema internacional de unidades

 

El Sistema Internacional de Unidades (SI abreviado del francés Système international d'unités), es un sistema compuesto por siete unidades fundamentales: metro, kilogramo, segundo, kelvin, amperio, mol y candela. Estas unidades definen las magnitudes físicas fundamentales correspondientes y han sido seleccionadas por acuerdo y convención.

Imagen tomada de: https://matemovil.com/sistema-internacional-de-unidades-y-conversiones/

  

Unidades derivadas del SI

Partiendo de las unidades básicas del SI se originan las unidades derivadas

Imagen tomada de: https://matemovil.com/sistema-internacional-de-unidades-y-conversiones/

También existen unidades que, si bien no pertenecen al SI, pero son comúnmente utilizadas y su uso es aceptado dentro del SI.

Imagen tomada de: https://matemovil.com/sistema-internacional-de-unidades-y-conversiones/

 

Por otra parte, el SI cuenta con una serie de prefijos y sufijos con el objetivo de representar cantidades muy grandes o muy pequeñas de cierta unidad. Estos pueden verse como una clase de multiplicadores para evitar escribir cantidades extensas de ceros por delante o detrás del punto decimal.

Imagen tomada de: https://matemovil.com/sistema-internacional-de-unidades-y-conversiones/

METROLOGÍA

La metrología surge como una necesidad del trabajo científico de tomar datos precisos, repetibles y confiables por medio de estandarización de los sistemas de referencias para mediadas con el fin de que se hable el mismo idioma cuando de mediciones y unidades de medida se trata.

Etimológicamente metrología viene de metrón (mediciones) y logos (ciencia). Es decir, la metrología es la ciencia de las mediciones y sus aplicaciones.

Existen tres tipos distintos de metrología, metrología científica, metrología industrial y metrología legal.

Imagen tomada de: http://metrologiayclasesdemetrologia.blogspot.com/

Metrología científica: Se ocupa de los problemas técnicos y experimentales de la medición, entre ellas: la realización experimental de las unidades de medida y la custodia y mantenimiento de patrones, así como la investigación y desarrollo de nuevas técnicas de medición

Imagen tomada de: https://toycertification.org/metrologia-cientifica/

Metrología científica: La metrología legal abarca aquellos aspectos de la metrología que se enfocan en las tareas derivadas de los mandatos legales que se aplican a la medición, las unidades de medida, los instrumentos de medida y los procedimientos de medición realizados por las autoridades competentes.

Metrología industrial: La metrología industrial tiene como objetivo mejorar la competitividad en la industria mediante el aseguramiento de las mediciones. Esto se logra mediante la calibración regular de los instrumentos de medición, utilizando estándares trazables al Sistema Internacional de Unidades, junto con la implementación de buenas prácticas y procedimientos de medición. Estas acciones influyen directamente en la calidad de los productos y servicios.

CLASES DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

 Los instrumentos de medición se pueden clasificar según su función y según su variable de medida.

Clasificación según su función

Instrumentos ciegos: Son aquellos instrumentos que no tienen un indicador para mostrar el resultado de la medida como lo son los termostatos y el LM35

Imagen tomada de: https://ferretronica.com/products/lm35-sensor-de-temperatura-original-to-92

Instrumentos indicadores: Son instrumentos de medición capaces de mostrar el resultado de su medida de manera digital o análoga. En el caso de ser instrumentos análogos muestran el resultado por medio de un índice y una escala graduada para ser leído.

Imagen tomada de: http://instruelec.blogspot.com/p/clases-de-instrumentos.html

Instrumentos registradores: Son aquellos capaces de representar el mesurando por medio de un trazo continuo.

Imagen tomada de: https://es.omega.com/pptst/OM-DAQXL.html

Elemento primario: Son aquellos que están en contacto con la variable que se desea medir, estos absorben energía del medio. También son conocidos como sensores.

Transmisor: Los transmisores se encargan de capturar la variable del proceso a través del sensor y la transmiten a la distancia en el sistema de control.

Convertidor: Son dispositivos que reciben una señal de un instrumento de medición y la envían en forma de una señal de salida estándar. Un ejemplo de estos es el puente de Wheatstone

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

Controlador: Estos dispositivos comparan la variable controlada con el valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo a la desviación

Imagen tomada de: https://nvsautomatizacion.com/producto/n960-controlador-de-temperatura/

Elemento final de control: En un sistema de medida los elementos finales de control o también conocidos como actuadores son aquellos que intervienen en el proceso para mantener la variable en el punto que se desea.

Clasificación según la variable del proceso

Esta clasificación hace referencia específicamente al tipo de señales que va a medir el instrumento.

Un ejemplo de esta clasificación es:

Instrumentos de caudal

Instrumentos de nivel

Instrumentos de temperatura

Instrumentos de humedad

ERRORES

Es la diferencia entre el valor leído por el instrumento de medida y el valor esperado. Este error se busca que sea el mínimo posible y existen distintas maneras de presentarlo estas corresponden al error absoluto y al error relativo

Existen diferentes tipos de error; estos son los errores estáticos y dinámicos.

Los errores estáticos se originan gracias a las limitaciones físicas que pueda tener el instrumento de medida o por los fenómenos físicos que gobiernan su comportamiento. Estos errores se producen cuando se trabajan con señales constantes en el tiempo.

Por otra parte, los errores dinámicos se originan debido a que el instrumento de medida no es lo suficientemente rápido para seguir los cambios de la variable que se está midiendo. Estos errores se producen cuando se trabajan con señales variables en el tiempo.

A su vez, estos errores se pueden clasificar en errores graves, sistemáticos, ambientales y aleatorios.

Los errores graves son aquellos de origen humano como lo es una mala lectura del instrumento, un ajuste incorrecto.

Los errores sistemáticos corresponden a defectos del instrumento de medición. Estos son comunes en instrumentos de medición mecánicos y se pueden evitar calibrando los dispositivos y aplicando factores de corrección.  Estos se dividen en errores ambientales y aleatorios.

Los errores ambientales son aquellos generados por condiciones externas como lo son los cambios de temperatura, humedad y los campos electromagnéticos que puedan influir.

Finalmente, los errores aleatorios son aquellos que tienen causas desconocidas.

 

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN

Los instrumentos de medición son herramientas que permiten la visualización de fenómenos físicos y permiten cuantificarlos. No obstante, estos dispositivos no corresponden a un instrumento ideal ya que las medidas que arrojan como resultado están sujetas a cierto nivel de error por limitaciones propias del dispositivo. Por tanto, es importante conocer las ciertas características de los instrumentos para que las mediciones se vean afectadas en el menor grado posible. 

Las características dinámicas de un instrumento de medición hacen referencia a los posibles comportamientos que dichos instrumentos puedan tener cuando la variable que se desea medir cambia en función al tiempo. Las entradas pueden ser señales transitorias, periódicas o aleatorias. La respuesta dinámica de un sensor cuando la señal de entrada corresponde a alguna de las anteriormente mencionadas está descrita en la función de transferencia del sistema.

Función de transferencia

La función de transferencia es una función matemática lineal que emplea la transformada de Laplace para representar el comportamiento dinámico y estacionario de un sistema.

Imagen tomada de: https://electrotec.pe/blog/diagramasbloques

Matemáticamente la función de transferencia corresponde a una división entre polinomios con la variable S. La función de transferencia es una relación propia del sistema y esta dependerá del orden del mismo.

Sistemas de medida

Los sistemas de medida se pueden clasificar dependiendo del orden de la ecuación diferencial que este tenga asociada.

Sistema de orden cero

Un sistema de orden cero es aquel en donde la ecuación diferencial asociada tiene derivadas de orden cero, es decir, no tiene derivas. Este tipo de sistemas no presentan retardos en su respuesta temporal o de frecuencia.

Donde k corresponde a la sensibilidad del sistema 

La siguiente imagen corresponde al tipo de salidas que estos sistemas de orden cero tienen:

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_escal%C3%B3n_de_Heaviside

 

Un ejemplo de estos sistemas son los elementos resistivos puros ya que estos no almacenan energía          

     

                                                Imagen tomada de:https://es.omega.com/prodinfo/galgas-extensiometricas.html

 

Sistema de primer orden

Son aquellos sistemas que contienen un componente que almacene energía y otro que la disipe. Estos sistemas tienen asociados una ecuación diferencial de primer orden. También tienen parámetros como la constante de tiempo τ; luego de 5 veces τ corresponde al tiempo característico que el sistema demora en estabilizarse o en llegar a estado estacionario.

En donde 1/a0 corresponde a la sensibilidad estática del sistema y a1/a0 a la constante de tiempo y su respuesta corresponde a la siguiente grafica en donde la función naranja es la entrada y la azul la salida.

 

Imagen tomada de: https://controlautomaticoeducacion.com/control-realimentado/sistemas-dinamicos-de-primer-orden/.

Sistemas de segundo orden

En este tipo de sistemas la respuesta al escalón no tiene una única forma ya que en estos sistemas influye otros parámetros como la inercia y la amortiguación presente del sistema. Existen tres tipos distintos de respuesta como lo son:

Sistemas sobreamortiguados

Sistemas subamortiguados

Sistemas criticamente amortiguados

La relación entre la entrada X(t) y la salida Y(t) es una ecuación diferencial de segundo orden

Las posibles respuestas del sistema se muestran a continuación

Imagen tomada de: https://analisisdecircuitos1.wordpress.com/parte-2-estado-transitorio-cap-61-a-70/capitulo-61-circuito-rlc-en-paralelo-sin-fuentes-criticamente-amortiguado/

CONCEPTOS

 En el ambito de la imstrumentación electrónica es importante utilizar los conceptos adecuados a la hora de hablar sobre ciertas caracteristicas de los instrumentos de medida. Por eso es importante conocer a lo que hace referencia cada uno de estos conceptos. Algunos de estos conceptos son:

Repetibilidad: Corresponde a la concordancia entre los resultados de varias medidas sobre la misma variable bajo las mismas condiciones.

Reproducibilidad: Corresponde a la concordancia entre los resultados de varias medidas sobre la misma variable bajo distintas condiciones.

Calibración: Se entiende como la comparación de un valor de una medida con un instrumento patrón para luego establecer con mayor exactitud posible las medidas de un instrumento

Gama: Se define como la diferencia entre los límites de los posibles valores de entrada del instrumento

Escala: Define distintas gamas en el instrumento de medición.

Eficiencia: Corresponde a la capacidad del instrumento de no incidir en el circuito que se desea medir.