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Características de los instrumentos y convertidores de proceso

En este artículo entregaremos las definiciones de las principales características que se suelen encontrar en los catálogos para definir las prestaciones, tanto de los instrumentos de medida como de los convertidores de proceso.

Rango de medida: Se refiere a todo el conjunto de valores de las magnitudes a medir, entre un máximo y un mínimo, dentro de los cuales el instrumento mantiene su precisión. El rango se ha de especificar junto con las condiciones ambientales extremas (temperatura, humedad, etc.), en las que es válida la precisión.

Resolución: Es la mínima diferencia entre dos valores que el instrumento es capaz de apreciar e indicar con unas determinadas condiciones ambientales, dentro de todo el campo de medida. En el caso de instrumentos digitales, la resolución va ligada al número de bits del convertidor A/D a la bondad del adaptador de señal previo y al número de dígitos del display. La ecuación siguiente permite calcular la resolución de un instrumento de n bits que deba medir en un rango (Umax – Umin).

Por ejemplo, ¿cuál sería la resolución máxima de un instrumento con un rango de medida de 500 V y un convertidor A/D de 10 bits? Con un convertidor de n bits, se pueden obtener 2n valores o “puntos” distintos. Para 10 bits, 210=1.024 puntos. Es decir, se pueden medir 1.024 valores distintos dentro del rango de medida. Ahora bien, dado que el rango es de 500 V:

Resolución = 500 V / 1.024 puntos = 488mV / punto

Obsérvese que si el mismo instrumento fuese para una medida en continua con signo, +- 500 V, debemos repartir los 1.024 puntos para el signo positivo y negativo, con lo que nos quedarían 512 puntos para repartir los 500 V, con lo que la resolución sería de 976 mV/punto.

Resolución del display: En instrumentos digitales, el display puede inducir a error en cuanto a la resolución instrumento. Es habitual encontrar instrumentos con indicador de 5 dígitos, es decir, que pueden marcar hasta el valor fondo de escala 99999, basados en un conversor de 10 bits (1.024 puntos). Aunque el display puede dar la sensación de que la resolución es de 1/100.000, lo cierto es que quien marca la máxima resolución es el convertidor A/D con los 1.024 puntos, es decir, /1.024 fondo de escala.

Precisión: Es la prioridad que indica el máximo error de un instrumento con respecto a un instrumento patrón debidamente calibrado y en unas determinadas condiciones ambientales. La precisión se indica mediante el “índice de clase” o simplemente “clase”.

Indice de clase: Es el número con el que se designa la precisión. El valor del índice de clase, equivale al error en tanto por ciento del instrumento en cualquier punto dentro del rango de medida, es decir, el error referido a la medida no al fondo de escala (ver Tabla 1).

Tabla 1.

Error y formas de indicarlo: Se suele expresar en porcentaje, pero hay que tener cuidado a la hora de establecer comparaciones, pues este puede estar especificado respecto del fondo de escala (FE), o respecto de la lectura (Lect), o de forma combinada. Las indicaciones respecto al fondo de la escala suelen ser engañosas si se miden valores bajos, ya que en la parte baja de la escala se pierde precisión porcentual. Por esto, se recomienda siempre medir en el último tercio de la escala para obtener las mejores presentaciones de un instrumento. Supongamos dos instrumentos con las siguientes formas de indicar el error.

Instrumento M1: Error= 0,2% FE
Instrumento M2: Error= 0,19% Lect+0,01% FE

Las dos formas aplicadas para el 100% del valor de la medida dan exactamente el mismo error relativo a la medida (0,2%), pero en la parte baja del rango, la diferencia de errores referida al valor medido se hace notable, como se muestra en la Figura 1.

Capacidad de sobrecarga del circuito de medida: Esta propiedad indica la capacidad del instrumento o convertidor para poder soportar, en la entrada de medida, valores superiores a los nominales sin que sufra efectos irreversibles. Fuera del rango de medida la indicación puede ser incorrecta.

Coeficiente de temperatura: Es el error añadido que se produce en el instrumento o convertidor al trabajar fuera de la temperatura de referencia a la que fue calibrado. Normalmente este coeficiente se expresa en ppm/ºC (partes por millón por grado centígrado).

Imaginemos un instrumento con una entrada de 5A para corriente alterna, clase 0,2 y con un coeficiente de temperatura de 600 ppm/ºC. A una temperatura de calibración 23ºC, en el caso de que el equipo esté trabajando a una temperatura de 35ºC, el error añadido podrá ser:

600ppmºC x (35-23)ºC = 7.200 PPM = 0,72%

Figura 1. Comparación de errores referidos a fondo escala o combinado fondo escala y lectura.

Rizado: En los convertidores que facilitan una señal analógica de salida, existe una fuente de error debida al rizado de la fuente de alimentación que se transmite a la salida. Entenderemos por rizado el valor de la componente alterna superpuesta a la señal de un convertidor.

Imaginemos un convertidor de 0 a 5 A, salida de 0–10 V, clase 0,2 con un rizado de alimentación de 500 mV. Si el valor promedio de salida puede estar dentro de la tolerancia a efectos de clase, si la señal es muestreada por un sistema digital (por ejemplo, entrada de un PLC), existirá una incertidumbre de error del 5%. Para solucionar este problema, algunos convertidores incorporan capacidades de filtrado elevadas a la salida, pero con ello empeora muchísimo el tiempo de respuesta del convertidor.

Tiempo de respuesta: Es el tiempo que debe transcurrir desde que se aplica un escalón de entrada, desde cero a fondo de escala, hasta que el indicador o convertidor da la salida correcta dentro de los márgenes de error y permanece estable.

Tensión o resistencia de aislamiento: Una de las funciones básicas de los convertidores de proceso es aislar la señal de salida respecto a las de entrada y respecto de la alimentación auxiliar.

Errores en la medidas de potencia y factor de potencia

Es frecuente que instrumentos de distintos tipos, incluso del mismo fabricante, indiquen potencias distintas al medir en un mismo circuito. La explicación de este hecho radica en que en sistemas trifásicos desequilibrados y con armónicos, incluso la forma de medir la potencia activa puede presentarse a confusión, pues depende de que si se mide solo la potencia de las componentes fundamentales o la total. Concretamente, los contadores Ferranti (de disco) convencionales, miden solo la potencia de las componentes fundamentales, pero la mayoría de los contadores electrónicos miden la activa total. Por tanto, al comparar ambas lecturas puede haber pequeños errores. Los errores de los contadores de reactiva son análogos, debido a que se basan en los mismos principios. En el caso de instrumentos digitales, los errores en la potencia son siempre muchos más grandes que para la tensión y corriente, por dos motivos:

a) Los transformadores de medida suelen incorporar un error de ángulo, que para valores bajos de P y Q pueden dar errores muy significativos, dado que se mantienen prácticamente constantes en toda la escala.

b) Los errores de amplitud de tensión y corriente se suman, puesla potencia se obtiene por producto de ambas magnitudes (ver ecuación). Obsérvese que al multiplicar una tensión con un error ev y una corriente con error ei, el error resultante en la potencia es aproximadamente la suma (ev+ei), ya que el término ev x ei suele ser muy pequeño y puede despreciarse.


Artículo Gentileza de CLAS Ingeniería Eléctrica S.A. Mayor información solicitar al e-mail clasmail@clas.cl
Septiembre 2014
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