Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica

Constaín, Alfredo José

Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica / Alfredo José Constaín, Efraín Bernal Alzate.

-- Bogotá : Universidad de

La Salle, 2012.

288 p. : il. ; 22 cm.

Incluye bibliografía.

ISBN 978-958-8939-77-3

1. Ingeniería industrial - Aparatos e instrumentos - Manuales 2. Electrónica - Aparatos e instrumentos - Manuales 3. Electrónica - Mediciones - Manuales 4. Electrónica digital - Manuales I. Bernal Alzate, Efraín II. Tít.

621.9 cd 21 ed.

A1351783

CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango

ISBN: 978-958-8939-77-3

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Alfredo José Constaín Aragón

A aquellos quienes creyeron en mí, por su paciencia y amor.

A mis estudiantes, deseándoles una excelente vida profesional.

Con mi corazón y todo mi amor, porque soñar es posible.

Efrain Bernal Alzate

A la memoria del profesor Daniel Hernández,compañero y amigo con quien compartimos la pasión por la escritura.

Contenido

PRÓLOGO

FUNDAMENTOS

Definición

Instrumentos

Esquema general de un instrumento

Procedimiento de diseño de un instrumento

Aplicaciones de la instrumentación

Enfoque moderno de la instrumentación

Selección del método de medición

Redondeo de números

Naturaleza de los errores

Propagación de los errores

Tratamiento del error accidental

Contexto de la aparición del error accidental

Naturaleza del error accidental

Definición del error accidental

Conceptos básicos de metrología

Definiciones

Linealidad de la curva de calibración

Construcción de la curva de calibración

Características dinámicas de los sistemas

Señales

Tipos de señales

Parámetros de las señales

Multímetros true RMS measurements

Análisis de señales

Muestreo de señales

Ruido

Naturaleza y clasificación del ruido y la interferencia

Densidad espectral de potencia

Ruido térmico

Ruido de disparo

Anchura de banda equivalente de ruido

Predicción del nivel de ruido de los amplificadores

Diseños de bajo ruido

Instrumentos útiles para el estudio del ruido

Tipos de acoplamiento de las interferencias EMI

Minimización de los efectos interferentes EMI

Interferencia por “lazos de tierra”

Interferencia de modo común

Técnicas de guarda

Eliminación de interferencias EMI por par trenzado

Eliminación de interferencia EMI por fibra óptica

TÉCNICAS ESPECIALES: PUENTE DE WHEATSTONE, CONTROL AUTOMÁTICO DE GANANCIA Y RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA

Puente de Wheatstone

Control automático de ganancia

Técnicas de retroalimentación negativa

Conceptos básicos

Cálculos de circuitos retroalimentados

Criterios de análisis de circuitos complejos retroalimentados

TRANSDUCTORES

Transductores de temperatura

Termistores

Termocuplas o termopares

Termómetros de resistencia

Sensores de temperatura basados en junturas PN

Transductores electro-ópticos

Emisor de leds

Captador de fototransistor

Captador de fotocelda (LDR)

Electrodos electroquímicos

Transductores piezoeléctricos

Transductores capacitivos

Transductores de humedad

Transductores de presión

Sensores de presión resistivos

Sensores piezocerámicos/multicapa

Sensores de presión con semiconductores

Transductores de posición y distancia

Transductores industriales de caudal

Transductores de corriente eléctrica

Transductores de imagen

Tipo charge-coupled device

Tipo complementary metal oxide semiconductor

Transductores de gases y humo

Linealización de un sensor por retroalimentación negativa

Lazo de 4-20 mA

AMPLIFICADORES OPERACIONALES. ESTUDIO AVANZADO

Consideraciones generales

Prestaciones específicas

El problema de la estabilidad de la fuente de alimentación

Los operacionales en la instrumentación

Amplificador de instrumentación integrado

Amplificadores y el modo común

Limitaciones de frecuencia por slew rate

Control del offset de voltaje

Reguladores de voltaje

Operacionales de aislamiento

CIRCUITOS ESPECIALES

Phase locked loop

Concepto básico de un phase locked loop

Operación y usos del phase locked loop

Filtros

Fundamentos

Filtros activos clásicos (análogos)

INSTRUMENTACIÓN DIGITAL

Hardware digital

Conversores

Conversores D/A

Conversores A/D

Manejo del diseño digital

Instrumentación de alto nivel

Sistemas de adquisición de datos

Fundamentos

Interconexión de instrumentos

Redes de comunicación

Modalidades de transmisión

Arquitectura de las redes de comunicación

Controladores lógicos programables

SOFTWARE DE INSTRUMENTACIÓN

Fundamentos

Herramientas de desarrollo

Herramientas de función de medición

Programas de supervisión y control

Software de simulación y modelación

Simulation program with integrated circuit emphosis

Matlab

DISEÑO DE TARJETAS

Consideraciones de aterrizaje

Colocación de capacitores cortapicos

Refrigeración de tarjetas

Terminales y plugs

DIAGRAMACIÓN INDUSTRIAL P&ID

Propósito

Alcance

Aplicación a industria

Aplicación a actividades de trabajo

Aplicación a diferentes tipos de instrumentación y a funciones de instrumentos

Extensión de identificaciones funcionales

Definiciones según la norma

Reglas para la identificación de instrumentos

Notas para la identificación de instrumentos

Símbolos generales de instrumentos

BIBLIOGRAFÍA

Prólogo

Un texto de instrumentación electrónica e industrial no puede ser simplemente una recopilación de circuitos vistos con mayor detalle en asignaturas como “Electrónica analógica” o “Electrónica digital”, ni tampoco un curso de aplicación de herramientas como Spice o Matlab. Si el propósito es comprender a fondo lo que hay detrás del proceso de medición y sus instrumentos tecnológicos enfocados a la industria, se requiere un cierto cambio de paradigma en cuanto a la enseñanza de esta asignatura. Es creencia de los autores que el ejercicio de diseño de instrumentos de medida requiere un primer esfuerzo por conocer cuáles son las limitaciones y características de un instrumento desde la óptica de la teoría de la medida, o sea, un sistema constituido tanto por el instrumento como por el entorno, y, fundamentalmente, por el entorno. Este enfoque comprende elementos de estadística matemática y ciertos conceptos de metrología. Es muy útil que un ingeniero esté en capacidad de definir los límites de incertidumbre reales que tendrá su instrumento en un entorno real, no idealizado. Asimismo, es prioritario que ese ingeniero esté en capacidad de idear y operar exitosamente su sistema de calibración, que garantice las especificaciones básicas del instrumento en un campo industrial, bajo una normatividad internacional.

La técnica de diseño de la instrumentación electrónica propiamente dicha debe también abarcar un estudio detallado de los sensores y transductores disponibles en el mercado, vistos desde el punto de vista de sus especificaciones útiles al tratamiento electrónico de las señales. Esto es así por cuanto el llamado método de medida depende fundamentalmente de esta compleja interfaz, que involucra especificidades sobre cómo se convierte la energía del proceso en energía eléctrica. Se continúa con un estudio avanzado de los operacionales, que principalmente se enfoca en sus limitaciones y características especiales para una aplicación específica, y cómo seleccionarlos para optimizar la especificación deseada. Siguiendo esta línea, se profundiza en los circuitos retroalimentados y se dan pautas de análisis para circuitos complejos. Por último, se desarrollan criterios para el diseño digital y la diagramación industrial.

En el desarrollo de este libro se pondrá gran atención al enfoque sobre el diseño e interpretación de los sistemas de medición como unidades íntimamente ligadas a su entorno con características alejadas de la idealidad. En este sentido, se presentan diversos ejemplos y montajes 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.