Introducción a la Instrumentación Electrónica

¿Qué es la Instrumentación Electrónica?

La instrumentación electrónica es una rama de la ingeniería que se encarga del diseño, construcción y utilización de dispositivos electrónicos para medir, controlar y automatizar procesos industriales, científicos y tecnológicos.

En otras palabras, la instrumentación electrónica se refiere al conjunto de técnicas y dispositivos utilizados para medir, controlar y automatizar procesos físicos o químicos mediante la utilización de señales eléctricas.

Instrumentación y Control

La instrumentación y el control son dos áreas interrelacionadas que se encargan de medir, controlar y automatizar procesos en diferentes campos, como la ingeniería, la química, la física, la biotecnología, entre otros.

Instrumentación:

Se refiere al conjunto de técnicas y herramientas utilizadas para medir, transmitir, registrar, controlar y regular variables físicas, químicas o eléctricas de un proceso o sistema. Algunas de estas variables son:

• Temperatura
• Presión
• Flujo
• Nivel
• pH

Para medir dichas variables se pueden usar diversos instrumentos, como pueden ser:

• Sensores
• Medidores
• Transductores
• Osciloscopios

Control:

Se refiere al conjunto de técnicas y herramientas utilizadas para mantener una variable de proceso en un valor deseado, ajustando las condiciones del proceso a través de un sistema de control. Dicho sistema se puede controlar de forma manual o automatizada, para esto, se puede utilizar diferentes tecnologías, por ejemplo:

• Controladores lógicos programables (PLCs)
• Sistemas de control distribuido (DCS)

De forma resumida, la instrumentación y el control son de suma importancia en la automatización de procesos y sistemas, las cuales permiten mejorar la eficiencia, la calidad y la seguridad en una amplia variedad de industrias y aplicaciones.

Ejemplo:

• Control de temperatura:

Un sistema de control automático puede utilizarse para mantener la temperatura en un horno a un nivel constante. 

Los sensores miden la temperatura y envían esta información a un controlador (en este caso el dispositivo azul), que ajusta la entrada de energía al horno o calefactor para mantener la temperatura en el valor deseado.

Control de procesos

Es un conjunto de dispositivos encargados de coordinar, dirigir y regular el comportamiento de otro sistema, para obtener los resultados esperados y reducir la probabilidad de fallo. 

Siguiendo el ejemplo de un sistema de control de temperatura, este contará con los siguientes elementos: 

• Uno o varios sensores de temperatura, los cuales serán los encargados de realizar las mediciones correspondientes a cada bloque de climatización o temperatura. 
• Un controlador, este usará los datos obtenidos por los sensores para determinar la acción de salida del sistema. 
• Uno o varios actuadores, que estarán encargados de ejecutar la orden de salida o control por parte del controlador.

De esta manera, existen dos tipos de control de procesos o sistemas de control:

Sistema de lazo abierto:

También son llamados sistemas sin realimentación. En este sistema el controlador determina la acción de salida únicamente en función de la entrada al sistema de control.

Sistema de lazo cerrado:

También se llaman sistemas retroalimentados. En este tipo de sistemas la señal de salida realimenta al sistema de control a través de los sensores.

Sistema de medida:

Es un conjunto de elementos interconectados que se utilizan para obtener mediciones precisas y confiables de una variable física o química.

El objetivo principal de un sistema de medida es obtener una medición precisa y confiable de una variable de interés. Estas mediciones pueden ser utilizadas para monitorear y controlar procesos, con el fin de evaluar el desempeño de sistemas, realizar experimentos o realizar investigaciones de distintos fenómenos.

De manera que, el resultado de un sistema de medida debe ser:

• Objetivo (Independiente del observador)
• Empírico (Basado en la experimentación)

Funciones:

En un sistema de medida hay tres principales funciones, las cuales son:

• Adquisición de datos:

Permite medir y registrar las variables de interés en tiempo real, esta proporciona información necesaria para que el sistema de control pueda tomar decisiones precisas y ajuste la acción de control en consecuencia.

En un sistema de control, la adquisición de datos se lleva a cabo mediante sensores o transductores, convirtiendo las señales físicas en señales eléctricas para ser procesadas.

• Procesamiento de datos:

Permite analizar y tomar decisiones en los datos adquiridos. Esto se puede realizar a partir de un procesador o microcontrolador (como puede ser un DSP) que realiza cálculos y comparaciones en función de las variables medidas y las consignas establecidas.

• Distribución de los datos:

Se refiere a la forma en que los datos son adquiridos, procesados y transmitidos a través del sistema, la cual es crítica para un correcto funcionamiento del sistema de control.

Algo a tener en cuenta es que la señal que proviene del sensor tiene algunas características que no son las más adecuadas para su procesamiento, esto puede ser corregido con ayuda de análisis o acondicionamiento para posteriormente ser presentada o transmitida.

Análisis o acondicionamiento de la señal:

Este proceso implica una serie de técnicas y operaciones que se aplican a la señal de entrada para mejorar su calidad, eliminar ruido y distorsiones, haciendo que sea adecuada para su procesamiento y análisis.

Algunas de las técnicas de acondicionamiento de señales son:

1. Amplificación: Se utiliza para aumentar la amplitud de la señal de entrada, permitiendo mejorar su relación señal-ruido y facilitar su detección y análisis.
2. Filtrado: Se utiliza para eliminar ruido e interferencias de la señal de entrada. Se pueden utilizar diferentes tipos de filtros, como pueden ser los filtros pasa-bajas, pasa-altas, pasa-banda o rechaza-banda.
3. Aislamiento galvánico: Se utiliza para proteger los circuitos de entrada de las señales de interferencia o de los circuitos de salida, se puede hacer por medio de transformadores u optoacopladores.
4. Conversión de señal: Se utiliza para cambiar el tipo de señal de entrada a otro tipo de señal que sea adecuada para su procesamiento.
5. Linealización: Se utiliza para corregir no linealidades de la señal de entrada, mejorando la precisión de la medida.

Presentación o transmisión de la señal

Se refiere a la forma en que la señal de salida del sensor o del acondicionador de señal se envía a la etapa de procesamiento y análisis. De forma típica, la señal de salida se presenta o transmite de las siguientes formas:

• Señal analógica: Se presenta como una señal analógica continua que varía en el tiempo, dicha señal se puede transmitir mediante un cable de señal o una red de cableado.

• Señal digital: Se convierte a una señal digital mediante un convertidor analógico-digital (ADC), esta señal se puede transmitir mediante un bus de datos, como USB, Ethernet o RS-232.

Elementos de un sistema de medida

Sistemas de medida multicanal

Magnitudes y medidas

Una magnitud es una propiedad física de un objeto, sustancia o fenómeno que puede ser medido/a cuantitativamente. Por ejemplo, la longitud, tiempo, masa, temperatura, velocidad, aceleración, fuerza, energía, potencia, presión, carga eléctrica, entre otras.

Existen 6 tipos de magnitudes:

Arquitectura en los sistemas de instrumentación

En los sistemas de instrumentación se pueden identificar dos tipos principales de arquitecturas:

Arquitectura distribuida:

• Se basa en la colocación de componentes en diferentes ubicaciones físicas y la conexión de estos componentes a través de una red de comunicación.
• Los componentes pueden ser sensores, actuadores, acondicionadores de señal, amplificadores, convertidores A/D, microcontroladores, entre otros.
• Cada componente tiene una funcionalidad específica y se comunica con otros componentes para lograr el control del proceso.
• Permite el procesamiento distribuido y paralelo de la información, siendo más flexible, escalable y redundante en el sistema.

Arquitectura centralizada:

• Se basa en la colocación de todos los componentes del sistema en un solo lugar, como un controlador lógico programable (PLC), un sistema embebido o un computador.
• Los componentes están conectados directamente a la unidad central a través de interfaces de entrada/salida (I/O).
• Es más simple y fácil de diseñar y mantener.
• La unidad central puede realizar el procesamiento de la señal de manera más rápida y eficiente.