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4. Instrumentos de medida y medios técnicos auxiliares
El conocimiento y la pericia humana son vitales para que cualquier sistema o módulo automatizado funcione a la perfección, por lo que se hace necesario asegurar la formación del personal cuyas actividades dentro del campo que ocupa el presente capítulo son:
1 Ejecutar el mantenimiento preventivo de los equipos mediante ajustes menores y servicios que no requieran paros del sistema y así evitar retrasos.
2 Localizar los fallos para así minimizar los retrasos cuando sucedan las averías. Esto requiere el máximo de comunicación y conocimiento entre operarios y el personal de mantenimiento.
3 Cambiar los productos o las instalaciones de las máquinas tan rápido como sea posible para evitar retrasos excesivos. Esto requiere la máxima cooperación y comunicación entre los miembros de un grupo de trabajo o entre varios grupos.
4 Proporcionar ayuda efectiva a los compañeros de trabajo y al personal de servicios especializados durante los periodos programados de mantenimiento.
Un sistema de automatización industrial está compuesto por infinidad de elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos tales como sensores, actuadores, robots, equipos de protección, así como el hardware y software necesarios para la realización de las tareas automáticas y la detección de fallos en el sistema.
4.1. Instrumentación
Para poder llevar a cabo las tareas de mantenimiento y diagnóstico de una instalación automática, es necesario que el personal encargado de realizar esas tareas disponga de una serie de instrumentos y equipos de medida que le permitan en todo momento realizar las mediciones y comprobaciones necesarias para evitar que se produzcan fallos o para subsanarlos cuando se han producido.
Hay una amplia gama de instrumentos de diagnóstico que funcionan como una extensión de los sentidos humanos porque amplifican y hacen visibles las características físicas que normalmente no se detectan, evitando así problemas que puedan ocasionar daños importantes en la maquinaria, un aumento de costos y retrasos, así como salvaguardar la seguridad de las personas.
Definición
Instrumento
Es el dispositivo que se implementa en los lazos de control para llevar a cabo las operaciones automáticas.
Los instrumentos se pueden clasificar de dos maneras:
1 En función del instrumento se clasifican en:Ciegos: no tienen indicación visible de la variable. Un ejemplo son los instrumentos de alarma.Indicadores: son instrumentos que combinan un sensor y un sistema de medida analógica o digital y que disponen de un índice y escala graduada en la que se puede leer el valor de la variable. Un ejemplo sería un manómetro.Registradores: registran la variable con trazos o puntos.Elementos primarios o sensores: son elementos sensibles a una propiedad física determinada que está relacionada con la variable que se quiere medir o controlar.Transmisores: captan la variable que se desea medir o controlar a través del sensor y la transmiten a distancia en forma de señal normalizada. Pueden ser de varios tipos, neumáticos, electrónicos, digitales, hidráulicos o telemáticos dependiendo del canal de transmisión.Convertidores: son dispositivos que reciben señales normalizadas de un tipo y las convierten en señales normalizadas de otro tipo.Controladores: comparan la variable medida con un valor deseado llamado consigna y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación.Actuadores: son los elementos finales de control. Reciben la señal del controlador y modifican la variable que actúa como agente de control. Ejemplos de actuadores son una válvula o un cilindro.
2 En función de la variable:Instrumentos eléctricos: medidores de magnitudes eléctricas.Sistemas de temperatura: medidores de temperatura.Sistemas de presión: medidores de presión.Sistemas de caudal: medidores de flujo.Sistemas de nivel: medidores de nivel de líquidos y sólidos.Sistemas de alimentación y pesado: básculas de precisión.Sistemas de dimensión: micrómetros.Sistemas de velocidad: tacómetros.Sistemas de movimiento: detectores de movimiento.Sistemas de detección de ruido: medidor del nivel de ruido.Sistemas de fuerza y energía: medidores de par motor, dinamómetros y células de carga.Sistemas de luz: células fotoeléctricas, cámaras.Sistemas de radiación: captan la radiación emitida por un cuerpo que puede ser térmica, electromagnética, etc.Sistemas de detección de fugas: analizadores de gas, detectores de fugas.Sistemas de detección de vibración: analizador de la amplitud y frecuencia de la vibración.Sistemas de detección de defectos: rayos X, ultrasónicos.
Actividades
8. Describa cinco instrumentos que conozca y clasifíquelos en función de la variable que miden.
9. Describa cinco instrumentos que conozca y clasifíquelos en función del instrumento.
4.2. Terminología para los instrumentos de medida
Los instrumentos de medida se utilizan para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición.
Las características más importantes que se tienen que tener en cuenta a la hora de utilizar un elemento de medida son:
1 Precisión: es la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo resultado en varias mediciones diferentes realizadas sobre la misma variable en las mismas condiciones. Hay varias formas de expresarla:En % del alcance o spanDirectamenteEn % de la lectura efectuadaEn % de la longitud de la escala del instrumento
2 Exactitud: capacidad de medir un valor cercano al valor de la magnitud real.
3 Incertidumbre: un error hace que se tenga incertidumbre sobre el verdadero valor de la medida. La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser tomados como valor verdadero de la magnitud medida.
4 Apreciación o resolución: es la medida más pequeña perceptible por un instrumento.
5 Sensibilidad: es la relación de desplazamiento entre el indicador de la medida y el valor real de esta.
6 Rango: espectro o gama de valores que el instrumento puede medir. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos que mide.
7 Alcance o span: es la diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo del campo de medida del instrumento (rango).
8 Error: diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido y el valor real de la variable medida. Cuando las condiciones de medida no son estáticas, sino que son dinámicas el error varía y además se producen retardos en la lectura del instrumento.
9 Error dinámico: es la diferencia ente el valor instantáneo de la variable y el valor indicado por el instrumento.
10 Zona muerta: es el campo de valores de la variable que no produce respuesta y por lo tanto el instrumento no visualiza. Se expresa en % del alcance de la medida.
11 Repetitividad: es la capacidad de repetir los mismos valores de lectura al medir repetidamente idénticos valores de la variable en las mismas condiciones de servicio. Se expresa en % del span.
12 Histéresis: es la capacidad de obtener la misma lectura del valor de la variable en ambos sentidos de cambio, ascendente y descendente. Se expresa en % del span.
13 Ruido: perturbación que desvía el valor indicado de la variable del valor deseado.
14 Linealidad: aproximación de una curva de calibración a una recta especificada.
15 Estabilidad: capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útil.
Actividades
10. Si un instrumento puede leer desde 0 mA a 40 mA, ¿a qué terminología se refiere?
4.3. Equipos para diagnóstico y calibración
Estos equipos son esenciales para la calibración de los instrumentos como por ejemplo sensores, y para el diagnóstico de averías.
Definición
Calibrar
Es conseguir que en todas las lecturas realizadas de la variable, la diferencia entre el valor real de esta y el valor indicado, registrado o transmitido por el instrumento esté dentro de los límites determinados por la precisión de dicho instrumento.
Instrumentos de medida
Los instrumentos de medida podrán ser de muchos tipos. En función de la magnitud que midan pueden ser eléctricos, de caudal, de presión, de temperatura, de masa, de dimensión, de fuerza, etc.
Instrumentos de medición eléctrica
Son necesarios para poder comprobar en todo momento que los sistemas están correctamente alimentados por la corriente eléctrica.
Al seleccionar un elemento eléctrico, la característica más importante es la confiabilidad, a fin de que pueda seguir funcionando a pesar de soportar un manejo brusco y continuado. También se tiene que tener en cuenta la exactitud, es decir, si tiene lecturas correctas con una desviación razonable, ya que los elementos que constituyen los equipos de automatización son muy delicados. También hay que considerar la funcionabilidad, es decir, si es el adecuado para el trabajo al que se destina.
Los más comunes son los siguientes:
1 Amperímetro: se utiliza para medir la intensidad de la corriente.
Amperímetro
1 Frecuencímetro: mide la frecuencia de la corriente eléctrica.
Frecuenciómetro
1 Capacímetro: instrumento que mide la capacidad de los condensadores.
Capacímetro
1 Cosímetro: mide el factor de potencia de la corriente eléctrica.
Cosímetro
1 Pinza amperimétrica: es un tipo especial de amperímetro que permite medir la intensidad de la corriente sin tener que abrir el circuito.
Pieza amperimétrica
1 Voltímetro: mide la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito.
Voltímetro
1 Vatímetro: mide la potencia eléctrica.
Vatímetro
1 Probadores de fase: también son instrumentos portátiles que se utilizan para identificar las fases para conectarlas y equilibrarlas, así como para indicar el sentido en el que girará un motor eléctrico trifásico antes de conectarlo a la línea.
Probador de fase eléctrica
1 Medidor de aislamiento: es un instrumento para la medida del aislamiento eléctrico en alta tensión.
Medidores de aislamiento (© Megger Ltd. vía web. CC BY 3.0)
1 Multímetro o polímetro: es un instrumento eléctrico y portátil con el que se pueden realizar medidas tanto para corriente continua como para corriente alterna. Este instrumento permite la medida directa de magnitudes activas (intensidades o potenciales) como magnitudes pasivas (resistencias o capacidades). Es tal su versatilidad que se ha convertido en un instrumento esencial para realizar las labores de mantenimiento eléctrico y electrónico de una instalación.
Actividades
11. Se necesita comprobar que un sistema está alimentado por corriente eléctrica. Explique qué instrumentos utilizaría y por qué.
12. A la hora de efectuar la reparación anterior, ¿qué equipos de protección individual utilizaría?
Instrumentos de medición de presión
Estos instrumentos, en función del tipo de presión que vayan a medir se clasifican en:
1 Barómetro: mide la presión atmosférica.
2 Manómetro: mide la presión del proceso al que está localmente conectado.
Manómetro
1 Tubo de pitot: se utiliza para calcular la presión total, presión estática más presión dinámica.
Definición
Presión estática
Es la presión que ejerce un fluido independientemente de la velocidad del mismo.
Presión dinámica
Es la presión que ejerce un fluido en movimiento.
Instrumentos de medición de temperatura
Son necesarios para medir en todo momento la temperatura de un proceso dando al sistema de medición una indicación. Se tiene que tener en cuenta la exactitud, es decir, si tiene lecturas correctas con una desviación razonable, la confiabilidad y la funcionabilidad.
Dependiendo de la propiedad física que utilicen, se podrán distinguir varios tipos de instrumentos de medición de temperatura:
1 Termómetro: es un instrumento de expansión térmica que no produce señal y que no se usa en los sistemas de automatización y control.
2 Termopar: utiliza la característica de conversión calorífica en eléctrica que depende de la diferencia de temperatura a la que se encuentran los dos extremos del termopar. El termopar es capaz de medir temperaturas importantes de manera más o menos precisa que oscilan entre los -200 ºC a 1.500 ºC.
1 Termoresistencia: a diferencia del termopar, se fundamenta en el aumento de la resistencia con la temperatura. La termoresistencia más utilizada en la industria es la PT-100, que es el sensor de temperatura más utilizado.
Sonda PT-100
1 Pirómetro: es un instrumento de radiación térmica capaz de medir la temperatura de un objeto sin estar en contacto con él. El pirómetro es utilizado para hacer medidas locales donde el sensor no puede tomar contacto.
Pirómetro
1 Termistor: se fundamenta en la variación de la resistencia de ciertos semiconductores con la temperatura.
ermistóres
Actividades
13. Indique cuál es el sensor de temperatura más utilizado en la industria.
14. Si se tuviera que medir la temperatura en un lugar en el que no fuera posible utilizar un sensor, ¿qué instrumento utilizaría?
Instrumentos de medición de caudal
Los caudalímetros sirven para medir y controlar el caudal de una instalación. A la hora de elegir un sensor de caudal hay que tener en cuenta:
1 Presión y temperatura a la que se va a trabajar
2 Tipo de fluido
3 Mantenimiento que requiere
Caudalímetro
Instrumentos de medición de velocidad
Estos instrumentos se llaman tacómetros y miden la velocidad de giro de un eje. Estos instrumentos son muy utilizados para el control de velocidad de vehículos como autobuses, camiones, etc.
Instrumentos de medición de masa
Son instrumentos que sirven para medir tanto el peso, como el volumen o la composición de un elemento. Dependiendo de la característica que se quiera medir se encuentran los siguientes instrumentos:
1 Báscula: mide el peso de un elemento.
2 Espectómetro de masa: mide la composición de un material.
3 Catarómetro (para gases): mide la composición de un gas.
Instrumentos de medición de nivel
Son necesarios para medir y controlar el nivel de un líquido o sólido. Pueden ser continuos o discretos (interruptores).
En función de la técnica empleada para la realización de dicha función, se encuentran los siguientes instrumentos:
1 Sondas
2 Flotador
3 Vasos comunicantes
4 Ultrasónicos
5 Resistivos
6 Conductivos
7 Capacitivos
8 Ópticos
Medidor de nivel ultrasónico
4.4. Instrumentos de calibración
Es imprescindible disponer de instrumentos que permitan calibrar la instrumentación de la instalación de forma periódica.
Existen gran variedad de calibradores destinados a calibrar cada uno de los instrumentos en función de la variable que miden:
1 Equipos de calibración eléctrica y multifunción: estos equipos sirven para ajustar y calibrar cualquier instrumento que intervenga en un proceso automático. Con estos equipos es posible generar, simular y medir tanto señales eléctricas como datos de presión y temperatura.
2 Calibradores de lazo mA: son fundamentales para la calibración y ajuste de las corrientes de 4 a 20 mA necesarias para la transmisión de los datos proporcionados por los instrumentos que componen los lazos de control.
3 Calibradores de presión, flujo y temperatura: son necesarios para verificar y ajustar los instrumentos de medida de esas variables físicas.
Calibrador multifunción
Actividades
15. ¿Qué entiende por calibración? Explique por qué es importante.
Aplicación práctica
José es el encargado de instalar unos sensores de temperatura en un sistema de control para calentamiento de agua. Una vez instalados comprueba que funcionan pero José no realizó una operación importantísima, por lo que el valor de la temperatura indicado es erróneo y se cree que el indicador puede estar estropeado. Pero José comprueba que sí funciona. ¿Qué olvidó hacer José al cambiar el sensor?
SOLUCIÓN
José olvidó realizar la tarea de calibración. Al no calibrar el sensor la lectura obtenida es errónea.
Cuando se instalan instrumentos para medir variables siempre hay que calibrarlos para que los datos que aporten sean correctos.
4.5. Elementos técnicos auxiliares
Para que la instalación pueda funcionar correctamente, son necesarios otra serie de elementos llamados auxiliares que facilitan el buen funcionamiento y control del sistema.
Dependiendo de la función que desempeñen, pueden ser de diversos tipos como:
1 Componentes mecánicos: ayudan al movimiento de los elementos que componen un sistema. Ejemplos de estos componentes son:Rodamientos, que permiten el giro de los ejes.Engranajes, que transmiten movimientos.
2 Componentes neumáticos: permiten que el flujo de aire llegue hasta los actuadores para que estos puedan realizar su función. Ejemplos:Elementos de conexión.Válvulas neumáticas.
3 Componentes para el acondicionamiento de las señales enviadas por los instrumentos: las señales emitidas por los instrumentos tienen que acondicionarse para poder ser procesadas. Para tal fin se utilizan:Convertidor - generador 4 - 20 mA.Convertidor - generador 0 - 10 V.
4.6. Equipos para mantenimiento predictivo
El mantenimiento predictivo da información en todo momento del estado de operatividad en que se encuentra la planta, lo que permite predecir su estado en un futuro próximo sin tener que esperar a que ocurra la avería. Para poder llevarlo a cabo, es necesario disponer de una serie de instrumentos que van a dar mucha información acerca del estado de la planta. Como ejemplos de estos instrumentos se tienen:
1 Analizador de vibraciones: como su nombre indica, es un instrumento que da información acerca de las vibraciones que se producen en los equipos.
2 Cámara termográfica: es un dispositivo que da un espectro de color en función de las emisiones de rayos infrarrojos detectados en un equipo.
3 Alineador láser: es un dispositivo que permite alinear ejes en instalaciones y máquinas con gran precisión.
4 Boroscopio: es un instrumento que permite efectuar inspecciones visuales en huecos en los que no se dispone de suficiente espacio físico para poder ver.
5 Alineador de poleas: este instrumento permite alinear las transmisiones por poleas con correa.
Analizador de vibraciones
4.7. Otros
Además de los instrumentos mencionados anteriormente, existen otros que sirven de apoyo entre los que destacan:
1 Osciloscopio. Este instrumento electrónico permite visualizar la representación gráfica de la variación que sufren las señales eléctricas con el tiempo. Este instrumento es muy útil en sistemas de medición y prueba, así como en monitoreo y pruebas en control de calidad.
Osciloscopio
1 Puente de Wheatstone. Con este instrumento se pueden obtener diferentes datos utilizando para ello el equilibrio de los brazos del puente que están constituidos por resistencias que forman un circuito cerrado. Uno de los brazos tiene una resistencia que puede variar, por lo que cuando el valor de esta varía, desequilibra el puente. También se utiliza para calcular el valor de una resistencia desconocida.
Aplicación práctica
En la planta de embotellado de aceite donde María trabaja, un motor dejó de girar inesperadamente. María va equipada con sus sistemas de protección EPI y con una serie de instrumentos y herramientas para tratar de averiguar qué ha ocurrido con el motor. ¿Cuál debería ser la primera comprobación que María tendría que realizar? ¿Cuál sería el instrumento más idóneo para realizarla?
SOLUCIÓN
Si el motor no gira es probablemente porque no recibe alimentación eléctrica, por lo que lo primero que ha de hacer María es comprobar si llega corriente al motor.
Para poder realizar esa tarea, el instrumento más idóneo que María debería utilizar es un multímetro que le va a indicar en todo momento si el motor está alimentado o sufre una avería eléctrica.
Actividades
16. En un depósito de agua se pretende que cuando el nivel llegue a cierta altura deje de entrar agua al depósito. ¿Qué instrumento utilizaría?
