Instrumentación

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Instrumentación es un término colectivo que designa a los instrumentos de medición que se utilizan para indicar, medir y registrar cantidades físicas . También es un campo de estudio sobre el arte y la ciencia de fabricar instrumentos de medición , que involucra las áreas relacionadas de metrología , automatización y teoría de control . El término tiene su origen en el arte y la ciencia de la fabricación de instrumentos científicos .

La instrumentación puede referirse a dispositivos tan simples como termómetros de lectura directa o tan complejos como componentes multisensoriales de sistemas de control industrial . Los instrumentos se pueden encontrar en laboratorios , refinerías , fábricas y vehículos , así como en el uso doméstico cotidiano (por ejemplo, detectores de humo y termostatos ).

La instrumentación se utiliza para medir muchos parámetros (valores físicos), incluidos:

• Presión , ya sea diferencial o estática
• Fluir
• Temperatura
• Niveles de líquidos, etc.
• Humedad o humedad
• Densidad
• Viscosidad
• radiación ionizante
• Frecuencia
• Actual
• Voltaje
• Inductancia
• Capacidad
• Resistividad
• Composición química
• Propiedades químicas
  • Gases tóxicos
• Posición
• Vibración
• Peso

La historia de la instrumentación se puede dividir en varias fases.

Los elementos de la instrumentación industrial tienen una larga historia. Las escalas para comparar pesos y los indicadores simples para indicar la posición son tecnologías antiguas. Algunas de las primeras mediciones fueron de tiempo. Uno de los relojes de agua más antiguos se encontró en la tumba del antiguo faraón egipcio Amenhotep I , enterrado alrededor del año 1500 a. C. ^[1] Se incorporaron mejoras a los relojes. En el año 270 a. C. ya tenían los rudimentos de un dispositivo de sistema de control automático. ^[2]

En 1663, Christopher Wren presentó a la Royal Society un diseño para un "reloj meteorológico". Un dibujo muestra sensores meteorológicos que mueven bolígrafos sobre papel impulsados ​​por un mecanismo de relojería. Dichos dispositivos no se convirtieron en estándar en meteorología hasta dos siglos después. ^[3] El concepto ha permanecido prácticamente inalterado, como lo demuestran los registradores gráficos neumáticos, en los que un fuelle presurizado desplaza un bolígrafo. La integración de sensores, pantallas, registradores y controles era poco común hasta la revolución industrial, limitada tanto por la necesidad como por la practicidad.

Los primeros sistemas utilizaban conexiones de proceso directas a paneles de control locales para control e indicación, que a partir de principios de la década de 1930 vieron la introducción de transmisores neumáticos y controladores automáticos de 3 términos (PID) .

Los rangos de los transmisores neumáticos se definieron por la necesidad de controlar válvulas y actuadores en el campo. Por lo general, una señal oscilaba entre 3 y 15 psi (20 a 100 kPa o 0,2 a 1,0 kg/cm2) como estándar, se estandarizó con 6 a 30 psi que se usaban ocasionalmente para válvulas más grandes. La electrónica de transistores permitió que el cableado reemplazara las tuberías, inicialmente con un rango de 20 a 100 mA a hasta 90 V para dispositivos alimentados por bucle, reduciéndose a 4 a 20 mA a 12 a 24 V en sistemas más modernos. Un transmisor es un dispositivo que produce una señal de salida, a menudo en forma de una  señal de corriente eléctrica de 4 a 20 mA , aunque son posibles muchas otras opciones que usan voltaje , frecuencia , presión o ethernet . El transistor se comercializó a mediados de la década de 1950. ^[4]

Los instrumentos conectados a un sistema de control proporcionaban señales que se utilizaban para operar solenoides , válvulas , reguladores , disyuntores , relés y otros dispositivos. Dichos dispositivos podían controlar una variable de salida deseada y proporcionar capacidades de control automatizado o de monitoreo remoto.

Cada empresa de instrumentos introdujo su propia señal de instrumentación estándar, lo que provocó confusión hasta que se utilizó el rango de 4 a 20 mA como señal de instrumento electrónico estándar para transmisores y válvulas. Esta señal se estandarizó finalmente como ANSI/ISA S50, "Compatibilidad de señales analógicas para instrumentos electrónicos de procesos industriales", en la década de 1970. La transformación de la instrumentación de transmisores, controladores y válvulas neumáticos mecánicos a instrumentos electrónicos redujo los costos de mantenimiento, ya que los instrumentos electrónicos eran más confiables que los instrumentos mecánicos. Esto también aumentó la eficiencia y la producción debido a su mayor precisión. La neumática disfrutó de algunas ventajas, siendo preferida en atmósferas corrosivas y explosivas. ^[5]

En los primeros años del control de procesos , los indicadores de proceso y los elementos de control, como las válvulas, eran monitoreados por un operador que caminaba alrededor de la unidad ajustando las válvulas para obtener las temperaturas, presiones y flujos deseados. A medida que la tecnología evolucionó, se inventaron controladores neumáticos y se montaron en el campo que monitoreaban el proceso y controlaban las válvulas. Esto redujo la cantidad de tiempo que los operadores de proceso necesitaban para monitorear el proceso. En los últimos años, los controladores reales se trasladaron a una sala central y se enviaron señales a la sala de control para monitorear el proceso y las señales de salida se enviaron al elemento de control final, como una válvula, para ajustar el proceso según fuera necesario. Estos controladores e indicadores se montaron en una pared llamada tablero de control. Los operadores se paraban frente a este tablero caminando de un lado a otro monitoreando los indicadores de proceso. Esto nuevamente redujo la cantidad y la cantidad de tiempo que los operadores de proceso necesitaban para caminar alrededor de las unidades. El nivel de señal neumática más estándar utilizado durante estos años fue de 3 a 15 psig. ^[6]

El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles locales en la planta de proceso. Sin embargo, esto requería una gran cantidad de recursos humanos para atender estos paneles dispersos y no había una visión general del proceso. El siguiente desarrollo lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. En efecto, esto supuso la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de una menor dotación de personal y una fácil visión general del proceso. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control y todas las salidas de control automáticas y manuales se transmitían de vuelta a la planta.

Sin embargo, aunque proporcionaba un control central, esta disposición era inflexible, ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de control y se requería un movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver diferentes partes del proceso. Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, se hizo posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos basados ​​en computadora, alojados en una red de bastidores de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podían distribuirse por toda la planta y comunicarse con la pantalla gráfica en la sala o salas de control. Nació el concepto de control distribuido.

La introducción de los DCS y SCADA permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como los bucles en cascada y los interbloqueos, y una fácil interconexión con otros sistemas informáticos de producción. Permitió un manejo sofisticado de las alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como los registradores de gráficos, permitió que los bastidores de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los tendidos de cableado, y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado de la planta y los niveles de producción.

En algunos casos, el sensor es un elemento muy secundario del mecanismo. Las cámaras digitales y los relojes de pulsera podrían cumplir técnicamente con la definición vaga de instrumentación porque registran y/o muestran la información detectada. En la mayoría de las circunstancias, ninguno de los dos se llamaría instrumentación, pero cuando se utilizan para medir el tiempo transcurrido de una carrera y para documentar al ganador en la línea de meta, ambos se llamarían instrumentación.

Un ejemplo muy simple de un sistema de instrumentación es un termostato mecánico , que se utiliza para controlar un horno doméstico y, por lo tanto, para controlar la temperatura ambiente. Una unidad típica detecta la temperatura con una tira bimetálica . Muestra la temperatura mediante una aguja en el extremo libre de la tira. Activa el horno mediante un interruptor de mercurio . A medida que la tira gira el interruptor, el mercurio establece contacto físico (y, por lo tanto, eléctrico) entre los electrodos.

Otro ejemplo de un sistema de instrumentación es un sistema de seguridad para el hogar . Este tipo de sistema consta de sensores (detección de movimiento, interruptores para detectar la apertura de puertas), algoritmos simples para detectar intrusiones, control local (activación/desactivación) y monitoreo remoto del sistema para poder llamar a la policía. La comunicación es una parte inherente del diseño.

Los electrodomésticos de cocina utilizan sensores para su control.

• Un refrigerador mantiene una temperatura constante activando el sistema de enfriamiento cuando la temperatura es demasiado alta.
• Una máquina de hielo automática produce hielo hasta que se activa un interruptor de límite .
• Las tostadoras de pan emergentes permiten configurar el tiempo.
• Los hornos de gas no electrónicos regulan la temperatura con un termostato que controla el flujo de gas hacia el quemador de gas . Estos pueden tener un bulbo sensor ubicado dentro de la cámara principal del horno. Además, puede haber un dispositivo de supervisión de llama de corte de seguridad : después del encendido, la perilla de control del quemador debe mantenerse presionada durante un breve tiempo para que un sensor se caliente y permita el flujo de gas hacia el quemador. Si el sensor de seguridad se enfría, esto puede indicar que la llama del quemador se ha extinguido y, para evitar una fuga continua de gas, se detiene el flujo.
• Los hornos eléctricos utilizan un sensor de temperatura y activan los elementos calefactores cuando la temperatura es demasiado baja. Los hornos más avanzados activan los ventiladores en respuesta a los sensores de temperatura para distribuir el calor o enfriar.
• Un inodoro común rellena el tanque de agua hasta que un flotador cierra la válvula. El flotador actúa como un sensor de nivel de agua.

Los automóviles modernos tienen una instrumentación compleja. Además de las pantallas de la velocidad de rotación del motor y la velocidad lineal del vehículo, también hay pantallas de voltaje y corriente de la batería, niveles de líquido, temperaturas de líquido, distancia recorrida y retroalimentación de varios controles (luces de giro, freno de estacionamiento, faros, posición de la transmisión). Se pueden mostrar advertencias para problemas especiales (combustible bajo, comprobar motor, presión baja de los neumáticos, puerta entreabierta, cinturón de seguridad desabrochado). Los problemas se registran para que se puedan informar a los equipos de diagnóstico . Los sistemas de navegación pueden proporcionar comandos de voz para llegar a un destino. La instrumentación automotriz debe ser barata y confiable durante largos períodos en entornos hostiles. Puede haber sistemas de bolsas de aire independientes que contengan sensores, lógica y actuadores. Los sistemas de frenos antiderrapantes utilizan sensores para controlar los frenos, mientras que el control de crucero afecta la posición del acelerador. Se puede proporcionar una amplia variedad de servicios a través de enlaces de comunicación en el sistema OnStar . Se han mostrado automóviles autónomos (con instrumentación exótica).

Los primeros aviones tenían algunos sensores. ^[7] Los "indicadores de vapor" convertían las presiones del aire en desviaciones de la aguja que podían interpretarse como altitud y velocidad aerodinámica. Una brújula magnética proporcionaba una sensación de orientación. Las indicaciones que se le mostraban al piloto eran tan importantes como las mediciones.

Un avión moderno tiene un conjunto mucho más sofisticado de sensores y pantallas, que están integrados en los sistemas de aviónica . El avión puede contener sistemas de navegación inercial , sistemas de posicionamiento global , radar meteorológico , pilotos automáticos y sistemas de estabilización de la aeronave. Se utilizan sensores redundantes para mayor fiabilidad. Un subconjunto de la información puede transferirse a una grabadora de accidentes para ayudar en las investigaciones de accidentes. Las pantallas de piloto modernas ahora incluyen pantallas de computadora, incluidas pantallas de visualización frontal .

El radar de control del tráfico aéreo es un sistema de instrumentación distribuida. La parte terrestre envía un pulso electromagnético y recibe un eco (al menos). Las aeronaves llevan transpondedores que transmiten códigos al recibir el pulso. El sistema muestra la ubicación de la aeronave en un mapa, un identificador y, opcionalmente, la altitud. La ubicación en el mapa se basa en la dirección de la antena detectada y el retardo de tiempo detectado. El resto de la información está incorporada en la transmisión del transpondedor.

Entre los posibles usos del término se encuentra un conjunto de equipos de prueba de laboratorio controlados por una computadora a través de un bus IEEE-488 (también conocido como GPIB, General Purpose Instrument Bus o HPIB, Hewlitt Packard Instrument Bus). Existen equipos de laboratorio para medir muchas magnitudes eléctricas y químicas. Este conjunto de equipos podría utilizarse para automatizar el análisis de agua potable en busca de contaminantes.

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La ingeniería de instrumentación es la especialización de la ingeniería centrada en el principio y el funcionamiento de los instrumentos de medición que se utilizan en el diseño y la configuración de sistemas automatizados en áreas como los dominios eléctrico y neumático, y el control de las cantidades que se miden. Por lo general, trabajan para industrias con procesos automatizados , como plantas químicas o de fabricación , con el objetivo de mejorar la productividad , la confiabilidad, la seguridad, la optimización y la estabilidad del sistema. Para controlar los parámetros en un proceso o en un sistema en particular, se utilizan dispositivos como microprocesadores, microcontroladores o PLC, pero su objetivo final es controlar los parámetros de un sistema.

La ingeniería de instrumentación se define de forma imprecisa porque las tareas requeridas dependen en gran medida del dominio. Un experto en la instrumentación biomédica de ratas de laboratorio tiene preocupaciones muy diferentes a las de un experto en instrumentación de cohetes. Las preocupaciones comunes de ambos son la selección de sensores apropiados en función del tamaño, el peso, el costo, la confiabilidad, la precisión, la longevidad, la resistencia ambiental y la respuesta de frecuencia. Algunos sensores se disparan literalmente en proyectiles de artillería. Otros detectan explosiones termonucleares hasta que se destruyen. Invariablemente, los datos de los sensores deben registrarse, transmitirse o mostrarse. Las velocidades y capacidades de registro varían enormemente. La transmisión puede ser trivial o puede ser clandestina, encriptada y de bajo consumo en presencia de interferencias. Las pantallas pueden ser trivialmente simples o pueden requerir la consulta con expertos en factores humanos . El diseño del sistema de control varía desde trivial hasta una especialidad separada.

Los ingenieros de instrumentación son responsables de integrar los sensores con los registradores, transmisores, pantallas o sistemas de control, y de producir el diagrama de tuberías e instrumentación para el proceso. Pueden diseñar o especificar la instalación, el cableado y el acondicionamiento de señales. Pueden ser responsables de la puesta en servicio, la calibración, las pruebas y el mantenimiento del sistema.

En un entorno de investigación, es habitual que los expertos en la materia tengan conocimientos sustanciales sobre sistemas de instrumentación. Un astrónomo conoce la estructura del universo y mucho sobre telescopios: óptica, apuntamiento y cámaras (u otros elementos de detección). Eso a menudo incluye el conocimiento, adquirido con mucho esfuerzo, de los procedimientos operativos que proporcionan los mejores resultados. Por ejemplo, un astrónomo suele conocer técnicas para minimizar los gradientes de temperatura que causan turbulencias en el aire dentro del telescopio.

Los tecnólogos, técnicos y mecánicos de instrumentación se especializan en solucionar problemas, reparar y mantener instrumentos y sistemas de instrumentación.

• Bucle neumático (20-100 KPa/3-15 PSI) – Neumático
• Bucle de corriente (4-20 mA) – Eléctrico
• HART : señalización de datos, a menudo superpuesta a un bucle de corriente
• Foundation Fieldbus : señalización de datos
• Profibus – Señalización de datos

Ralph Müller (1940) afirmó: "Es bien sabido que la historia de la ciencia física es en gran medida la historia de los instrumentos y su uso inteligente. Las amplias generalizaciones y teorías que han surgido de vez en cuando se han mantenido o han fracasado en función de mediciones precisas, y en varios casos se han tenido que idear nuevos instrumentos para ese propósito. Hay poca evidencia que demuestre que la mente del hombre moderno sea superior a la de los antiguos. Sus herramientas son incomparablemente mejores". ^{[8] [9] : 290}

Davis Baird ha argumentado que el principal cambio asociado con la identificación de Floris Cohen de una "cuarta gran revolución científica" después de la Segunda Guerra Mundial es el desarrollo de la instrumentación científica, no solo en química sino en todas las ciencias. ^{[9] [10]} En química, la introducción de nueva instrumentación en la década de 1940 fue "nada menos que una revolución científica y tecnológica" ^{[11] : 28–29} en la que se descartaron los métodos clásicos húmedos y secos de química orgánica estructural y se abrieron nuevas áreas de investigación. ^{[11] : 38}

Ya en 1954, WA Wildhack analizó el potencial productivo y destructivo inherente al control de procesos. ^[12] La capacidad de realizar mediciones precisas, verificables y reproducibles del mundo natural, a niveles que antes no eran observables, utilizando instrumentación científica, ha "proporcionado una textura diferente del mundo". ^[13] Esta revolución de la instrumentación cambia fundamentalmente las capacidades humanas para monitorear y responder, como lo ilustran los ejemplos de monitoreo del DDT y el uso de espectrofotometría UV y cromatografía de gases para monitorear contaminantes del agua . ^{[10] [13]}

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