Calibración De Instrumentos

CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS

Los instrumentos industriales pueden medir, transmitir y controlar las variables que intervienen en un proceso.

En la realización de todas estas funciones existe una relación entre la variable de entrada y la de salida del instrumento, por ejemplo: señal eléctrica (4-20 mA cc) de entrada a señal neumática de salida en un convertidor I/P (intensidad a presión). Esta relación puede encontrarse también en las partes internas del instrumento en particular cuando éste es complejo, como en el caso de un instrumento controlador miniatura para montaje en panel que está compuesto por varios bloques: unidad de punto de consigna (valor deseado de la variable medida), unidad de mando manual, unidad de control, entre otras.

Así pues, un instrumento o una de sus partes pueden considerarse como dispositivos de conversión de señales (transductores) que pasan de una variable de entrada (presión, caudal, nivel, temperatura, posición, pH, conductividad, posición, entre otras) a una o varias de las siguientes funciones en la salida: indicación de la variable de entrada, lectura de un índice o de una pluma de registro, transmisión de la variable de entrada en señal neumática o eléctrica, fijación de la posición de una palanca o de un vástago de una varilla interna del instrumento o del vástago del obturador de una válvula.

Existirá, pues, una correspondencia entre la variable de entrada y la de salida, representando esta última el valor de la variable de entrada. Siempre que el valor representado corresponda exactamente al de la variable de entrada el instrumento estará efectuando una medición correcta. Ahora bien, en la práctica, los instrumentos determinan en general unos valores inexactos en la salida que se apartan en mayor o menor grado del valor verdadero de la variable de entrada, lo cual constituye el error de la medida.

El error es universal e inevitable y acompaña a toda medida, aunque ésta sea muy elaborada, o aunque se efectúe un gran número de veces. Es decir, el valor verdadero no puede establecerse con completa exactitud y es necesario encontrar unos límites que lo definan, de modo que sea práctico calcular la tolerancia de la medida.

1. CALIBRACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

Un instrumento, se considera que está bien calibrado cuando en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado, registrado o transmitido, está comprendida entre los límites determinados por la precisión del instrumento.

La calibración de los instrumentos requiere disponer de aparatos patrones y de dispositivos de comprobación colocados usualmente en el taller de instrumentos. La precisión de estos instrumentos patrón debe ser como mínimo ¼ de la precisión de los instrumentos a comprobar (Normas DIN 16-005). Es decir, si el instrumento a comprobar tiene una precisión de ± 0,5%, el instrumento patrón debe tener un mínimo de precisión de ± 0,125%. Si los aparatos patrón tienen una precisión de 1/10 de los instrumentos a comprobar, su efecto sobre la medida puede ignorarse.

2. ERRORES DE LOS INSTRUMENTOS

En un instrumento ideal (sin error), la relación entre los valores reales de la variable comprendidos dentro del campo de medida, y los valores de lectura del aparato, es lineal. (ver figura 1).

En particular, si el instrumento es un transmisor neumático, cuando el índice adopta las posiciones 0, 50, 100% de la escala, las señales de salida correspondientes son: 3, 9 y 15 psi respectivamente. Si el instrumento fuera electrónico, las señales de salida serían: 4, 12 y 20 mA c.c, respectivamente.

En condiciones de funcionamiento estático, las desviaciones respecto a la relación lineal indicada, dan lugar a los errores de calibración de los instrumentos, suponiendo que estas desviaciones no superan la exactitud dada por el fabricante del instrumento ya que en este caso no consideraríamos el instrumento calibrado aunque no coincidiera exactamente la curva variable-lectura con la recta ideal. Las desviaciones de la curva variable real-lectura de un instrumento típico (ver figura 2), con relación a la recta ideal representan los errores de medida del aparato. Esta curva puede descomponerse en tres que representan individualmente los tres tipos de errores que pueden hallarse en forma aislada o combinada en los instrumentos:

- Error de cero: Todas las lecturas están desplazadas un mismo valor con relación a la recta representativa del instrumento. En este tipo de error, el desplazamiento puede ser positivo o negativo. El punto de partida o de base de la recta representativa cambia sin que varíe la inclinación o la forma de la curva (ver figura 3).

- Error de multiplicación: Todas las lecturas aumentan o disminuyen progresivamente con relación a la recta representativa. El punto base no cambia y la desviación progresiva puede ser positiva o negativa. (ver figura 4).

- Error de angularidad: La curva real coincide con los puntos 0 y 100% de la recta representativa, pero se aparta de la misma en los restantes. El máximo de la desviación suele estar hacia la mitad de la escala. (ver figura 5).

Los instrumentos pueden ajustarse para corregir estos errores, si bien hay que señalar que algunos instrumentos, por su tipo de construcción, no pueden tener error de angularidad. En general, el error de cero se corrige con el llamado tornillo de cero, que modifica directamente la posición del índice o de la pluma de registro cambiando la curva variable-lectura paralelamente a sí misma, o bien sacando el índice y fijándolo al eje de lectura en otra posición.

El error de multiplicación se corrige actuando sobre el tornillo de multiplicación (o span, en inglés) que modifica directamente la relación de amplitud de movimientos de la variable al índice o a la pluma, es decir, que aumenta o disminuye progresivamente las lecturas sobre la escala. Para calibrar un instrumento conviene, en primer lugar, eliminar o reducir al mínimo el error de angularidad. Este error es debido fundamentalmente a la transmisión por palancas del movimiento del elemento primario o de la variable medida al índice de lectura o de registro.

Otros tipos de errores provienen de la lectura del instrumento por el observador, y son:

Error de paralaje: Se produce cuando el observador efectúa la lectura de modo que su línea de observación al índice no es perpendicular a la escala del instrumento. La importancia de este error depende de la separación entre el índice y la escala y del angulo de inclinación de la línea de observación. Para disminuirlo, algunos instrumentos tienen el sector graduado separado de la escala y a muy poca distancia del índice, y otros poseen un sector especular, con lo que la línea de observación debe ser perpendicular a la escala para que coincidan el índice y su imagen.

Error de interpolación: Se presenta cuando el índice no coincide exactamente con la graduación de la escala, y el observador redondea sus lecturas por exceso o por defecto.

Evidentemente, estos errores de paralaje y de interpolación no existen en los instrumentos de salida digital.

3. PROCEDIMIENTO GENERAL PARA CALIBRAR UN INSTRUMENTO

1- Situar la variable en el valor mínimo del campo de medida, y en este valor ajustar el tornillo de cero del instrumento hasta que el índice señale el punto de base. (ver figura 5 b).

2- Colocar la variable en el valor máximo del campo de medida, y en este valor ajustar el tornillo de multiplicación hasta que el índice señale el valor máximo de la variable. (ver figura 5 c).

3- Repetir los puntos anteriores 1 y 2 sucesivamente, hasta que las lecturas sean correctas en los valores mínimo y máximo. (ver figura 5 d y e).

4- Colocar la variable en el 50% del intervalo de medida, y en este punto ajustar el tornillo de angularidad hasta mover el índice cinco veces el valor del error en la dirección del mismo (la curva real se aplana). Es de interés señalar que puede prescindirse de este paso procediendo previamente al escuadrado de las palancas para el 50% de la variable. (ver figura 5 f).

5- Reajustar sucesivamente el tornillo de cero y el de multiplicación, hasta conseguir la exactitud deseada o requerida. Si fuera necesario, efectuar una nueva corrección de angularidad. (ver figura 5 g, h, i).

Este procedimiento es general, con la salvedad de sustituir la palabra “índice” por “pluma” y “señal de salida” en los casos de instrumentos registradores y transmisores neumáticos (señal de salida, 3-15 psi) o electrónicos (4-20 mA c.c) respectivamente. La posición de los tornillos de ajuste de cero, de multiplicación y de angularidad, varía según el instrumento; algunos tipos carecen de alguno de ellos. En particular debe señalarse que los termómetros bimetálicos tinen usualmente tornillo de cero; los manómetros poseen tornillo de cero (o en su lugar es posible desmontar el índice y ajustarlo al eje en otra posición), de multiplicación y de angularidad, y los instrumentos electrónicos no suelen tener error de angularidad. (ver figura 6).

Cabe destacar que en los instrumentos digitales “inteligentes”, en particular en los transmisores, la calibración se ve facilitada por la “inteligencia” proporcionada por el microprocesador incorporado en el instrumento. Éste guarda digitalmente en una EPROM los datos que proporcionan correcciones precisas de las no linealidades de los sensores ante variaciones en la temperatura y en la presión ambiente, para toda la vida útil del instrumento. Se encuentran grabados unos 126 puntos o más en lugar de los cinco típicos (0%, 25%, 50%, 75%,

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