Instrumentación · Publicación técnica

Introducción a la Instrumentación

David Topete

Cómo se convierte una magnitud física en un dato confiable. El tema recorre el sistema de medición completo: sensor, acondicionamiento de señal, transmisión, adquisición de datos y su aplicación al control de procesos.

IntroducciónPresentación del tema

Todo sistema electrónico que interactúa con el mundo físico depende de una medición: un termostato, un variador de motor, una línea de producción o un banco de pruebas al final de esa línea. Si la medición es mala, el mejor algoritmo de control o el análisis estadístico más sofisticado trabajan sobre datos falsos.

La instrumentación es la rama de la ingeniería que se ocupa de obtener esos datos: elegir el sensor, adaptar su señal, transmitirla, convertirla a digital, procesarla y presentarla, y además saber cuánto confiar en el resultado. Este tema construye el mapa completo del sistema de medición, desde el sensor hasta el lazo de 4–20 mA y la adquisición de datos en una computadora.

Cada sección introduce los conceptos, las ecuaciones esenciales y un ejemplo numérico.

Convenciones del texto

Términos en inglés: se indican en cursiva la primera vez que aparecen, porque son los que se encuentran en hojas de datos y manuales. El glosario reúne ambos idiomas.
Unidades: Sistema Internacional, con punto decimal. ppm = partes por millón.
Recuadros: Ejemplo para cálculos resueltos, En el banco de pruebas para mediciones prácticas y Error frecuente para fallas típicas.

¿Qué es la instrumentación?

Medir es comparar una magnitud con otra de la misma especie tomada como unidad. La magnitud que se desea medir se llama mensurando (measurand): la temperatura de un horno, la corriente de una fuente, la presión de una línea de aire.

La instrumentación es el conjunto de dispositivos y técnicas que realizan esa comparación de forma automática, repetible y documentada. Sin importar la aplicación, casi todo sistema de medición tiene la misma estructura (Figura 1).

Figura 1. Sistema de medición generalizado. Cada bloque agrega errores y es susceptible a perturbaciones. Si la información se usa para actuar sobre el proceso, el sistema de medición se convierte en parte de un lazo de control.

Sensor o transductor: convierte la magnitud física en una señal, casi siempre eléctrica (voltaje, corriente, resistencia, capacitancia, frecuencia).
Acondicionamiento: adapta esa señal para que pueda medirse con exactitud: la amplifica, la filtra, la aísla o la linealiza.
Conversión analógico-digital: transforma la señal en números.
Procesamiento: aplica escalamiento, compensaciones, filtrado digital, estadística o análisis espectral.
Presentación: muestra, registra o comunica el resultado a otro sistema.

Dos mundos de la instrumentación

En la práctica el término se usa en dos contextos que comparten fundamentos pero difieren en tecnología:

Aspecto	Instrumentación de procesos	Instrumentación electrónica y de prueba
Objetivo	Medir y controlar variables de una planta continuamente	Caracterizar, validar o probar dispositivos y productos
Variables típicas	Temperatura, presión, flujo, nivel, pH	Voltaje, corriente, resistencia, frecuencia, forma de onda, RF
Equipos	Transmisores, controladores, válvulas, PLC, DCS	Multímetros, osciloscopios, fuentes, sistemas de adquisición de datos
Señales	4–20 mA, HART, buses de campo	Voltajes de mV a kV, corrientes de pA a A, señales de alta frecuencia

Tabla 1. Instrumentación de procesos frente a instrumentación electrónica y de prueba.

Un ingeniero en Electrónica suele moverse entre ambos: diseña el transmisor que se instala en la planta y también el equipo que lo calibra y lo prueba. Los fundamentos de este tema sirven para ambos.

Características estáticas y dinámicas

Para comparar instrumentos y entender sus hojas de datos se usa un vocabulario preciso. Las características estáticas describen el comportamiento cuando el mensurando no cambia o cambia lentamente; las dinámicas, cómo responde a cambios rápidos.

Características estáticas

Término	Definición	Ejemplo
Rango (range)	Valores mínimo y máximo que puede medir	−50 a 150 °C
Alcance (span)	Diferencia entre máximo y mínimo del rango	200 °C
Exactitud (accuracy)	Cercanía entre el valor medido y el valor verdadero	±0.5 °C
Precisión / repetibilidad	Cercanía entre mediciones repetidas en las mismas condiciones	desviación estándar 0.05 °C
Resolución	Menor cambio de la entrada que produce un cambio detectable en la salida	0.01 °C
Sensibilidad	Cambio de la salida por unidad de cambio de la entrada, S = Δy/Δx	10 mV/°C
No linealidad	Máxima desviación respecto a la recta de referencia, en % del alcance	0.1 % FS
Histéresis	Diferencia de salida para la misma entrada al subir y al bajar	0.2 % FS
Offset / cero	Salida cuando la entrada es cero	0.2 mV
Deriva (drift)	Cambio de la salida con el tiempo o la temperatura, a entrada constante	5 ppm/°C

Tabla 2. Características estáticas de un instrumento.

Figura 2. Exactitud frente a precisión. Un instrumento preciso pero inexacto (b) tiene un error sistemático que puede corregirse con calibración; un instrumento impreciso (c, d) tiene un error aleatorio que solo se reduce promediando.

Error frecuente

Confundir resolución con exactitud. Un multímetro que muestra 6½ dígitos tiene una resolución de 1 µV en el rango de 1 V, pero su exactitud a un año puede ser de decenas de microvolts. Más dígitos en la pantalla no garantizan un valor más cercano al verdadero.

Figura 3. Curva de transferencia estática. a) La sensibilidad es la pendiente; la no linealidad es la máxima separación entre la curva real y la recta de referencia. b) Con histéresis, la salida depende de si la entrada sube o baja; es típica de sensores con componentes mecánicos o magnéticos.

Cómo se especifica la exactitud

Los instrumentos electrónicos expresan su exactitud con dos términos: uno proporcional a la lectura y otro fijo, proporcional al rango (o en cuentas del último dígito):

error máx. = ±(a % de la lectura + b % del rango)(1)

El término fijo hace que el error relativo crezca cuando se mide en la parte baja del rango; por eso conviene elegir el rango más pequeño que contenga la señal.

Ejemplo 1 · Exactitud de un DMM de 6½ dígitos

Un multímetro especifica, para el rango de 10 V CD a un año, ±(0.0035 % de la lectura + 0.0005 % del rango). ¿Cuál es el error máximo al medir 5 V?

término de lectura = 0.0035 % × 5 V = 175 µV término de rango = 0.0005 % × 10 V = 50 µV error máximo = ±225 µV → ±45 ppm de la lectura

Si la misma señal se midiera en el rango de 100 V con ±(0.0045 % + 0.0006 %), el término de rango subiría a 600 µV: el error total casi se cuadruplica.

Características dinámicas

Muchos sensores se comportan como sistemas de primer orden: un termopar dentro de un termopozo, un filtro RC o un sensor de humedad. Ante un escalón, su salida se aproxima exponencialmente al valor final con una constante de tiempo τ:

y(t) = y_f (1 − e^−t/τ)(2)

t_r (10–90 %) ≈ 2.2 τ · f_{−3 dB} = 12π τ ≈ 0.35t_r(3)

En una constante de tiempo la salida alcanza el 63.2 % del valor final; en 3τ, el 95 %; en 5τ, el 99.3 %. Los sistemas de segundo orden (acelerómetros, celdas de carga, manómetros) agregan la frecuencia natural y el amortiguamiento, y pueden presentar sobrepaso y resonancia.

Ejemplo 2 · ¿Cuánto esperar antes de leer?

Un termopar con funda tiene τ = 2 s. Un sistema automático lo sumerge en un baño a temperatura constante. ¿Cuánto debe esperar para que el error dinámico sea menor al 1 %?

1 − e^(−t/τ) ≥ 0.99 → t ≥ τ · ln(100) = 2 s × 4.61 ≈ 9.2 s

Leer a los 2 s daría solo el 63 % del cambio. En un sistema de prueba, este tiempo de estabilización (settling time) suele dominar la duración total de la prueba.

Error, incertidumbre y calibración

El error es la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero, pero el valor verdadero nunca se conoce exactamente. Por eso la metrología moderna expresa el resultado con una incertidumbre: un intervalo dentro del cual se espera, con cierta probabilidad, que esté el valor verdadero.

Tipos de error

Sistemáticos: se repiten con el mismo signo y magnitud (offset, error de ganancia, efecto de carga, resistencia de los cables). Se corrigen con calibración o compensación.
Aleatorios: varían de forma impredecible (ruido térmico, interferencia, vibración). Se reducen promediando n lecturas: la desviación de la media disminuye como 1/√n.
Gruesos: equivocaciones (rango incorrecto, conexión floja, lectura mal transcrita). Se evitan con procedimientos y automatización.

Incertidumbre según la GUM

La Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM, JCGM 100) clasifica las componentes por la forma de evaluarlas, no por su origen:

Tipo A: por estadística de lecturas repetidas, u = s/√n.
Tipo B: por otra información: especificaciones del fabricante, certificados de calibración, resolución. Para un límite ±a con distribución rectangular, u = a/√3.

Si las componentes son independientes, se combinan en raíz de suma de cuadrados (RSS) y se multiplican por un factor de cobertura k (normalmente k = 2, ≈ 95 % de confianza):

u_c = √(u₁² + u₂² + … + u_n²) · U = k · u_c(4)

Ejemplo 3 · Incertidumbre de una medición de 5 V

Se usa el DMM del Ejemplo 1 (límite ±225 µV) y se toman 10 lecturas con desviación estándar s = 40 µV.

Tipo B (especificación): u₁ = 225 µV / √3 = 129.9 µV Tipo A (repetibilidad): u₂ = 40 µV / √10 = 12.6 µV Combinada: uc = √(129.9² + 12.6²) = 130.5 µV Expandida (k = 2): U = 261 µV → V = 5.000 00 V ± 0.26 mV

Domina la especificación del instrumento: tomar más lecturas casi no mejora el resultado.

Calibración, trazabilidad y TUR

Calibrar es comparar un instrumento contra un patrón de exactitud conocida y documentar las desviaciones. La trazabilidad es la cadena ininterrumpida de calibraciones que liga la medición con los patrones nacionales: en México el CENAM, en Estados Unidos el NIST.

Para que una comparación sea confiable, el patrón debe ser bastante mejor que el equipo que se evalúa. La relación de incertidumbre de prueba (TUR, Test Uncertainty Ratio) compara la tolerancia del equipo con la incertidumbre de la medición; la práctica recomienda TUR ≥ 4:1. Con los datos del Ejemplo 3, verificar un equipo con tolerancia de ±1 mV da TUR = 1 / 0.261 ≈ 3.8:1, apenas por debajo de lo recomendado.

En el banco de pruebas

Cuando un resultado cae cerca del límite de especificación, la incertidumbre decide. Muchos sistemas de prueba aplican bandas de guarda (guardbanding): reducen los límites de aceptación en una fracción de U para no aprobar unidades que en realidad están fuera de especificación.

Sensores y transductores

Un transductor convierte energía de una forma a otra; un sensor es el transductor de entrada de un sistema de medición. En la práctica ambos términos se usan casi como sinónimos.

Activos o generadores: producen su propia señal a partir del mensurando (termopar, piezoeléctrico, fotodiodo en modo fotovoltaico).
Pasivos o moduladores: cambian un parámetro eléctrico (resistencia, capacitancia, inductancia) y requieren una excitación externa para producir una señal (RTD, galga extensométrica, LVDT).

Variable	Sensor	Principio	Salida típica	Acondicionamiento
Temperatura	Termopar	Efecto Seebeck	≈ 41 µV/°C (tipo K)	Amplificación, compensación de unión fría
	RTD (Pt100)	Resistencia del platino	0.385 Ω/°C	Fuente de corriente, 3 o 4 hilos
	Termistor NTC	Semiconductor	−4 %/°C, muy no lineal	Divisor, linealización
Deformación, fuerza, peso	Galga / celda de carga	Piezorresistivo	mV/V	Puente, excitación, amplificador de instrumentación
Presión	Diafragma con galgas o capacitivo	Deformación del diafragma	mV/V o 4–20 mA	Puente o transmisor
Posición, desplazamiento	LVDT, potenciómetro, encoder	Inductivo, resistivo, óptico	CA, V, pulsos	Demodulación, contador
Aceleración, vibración	Acelerómetro piezoeléctrico (IEPE)	Piezoeléctrico	mV/g	Fuente de corriente constante, acoplamiento CA
Flujo	Presión diferencial, magnético, Coriolis	Varios	4–20 mA, pulsos	Transmisor
Corriente	Shunt, efecto Hall, TC	Ley de Ohm, campo magnético	mV, V	Amplificador diferencial, aislamiento

Tabla 3. Sensores frecuentes y su acondicionamiento.

Dos sensores de temperatura representativos

La RTD de platino Pt100 tiene 100 Ω a 0 °C y, en aproximación lineal, varía según la Ecuación 5 con α = 0.003 85 °C⁻¹ (IEC 60751). Es exacta y estable, pero pasiva: necesita una corriente de excitación pequeña para no calentarse a sí misma.

R(T) ≈ R₀ (1 + αT)(5)

El termopar genera un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia (unión fría), que normalmente está en las terminales del instrumento. Por eso el instrumento mide la temperatura de sus terminales y suma el voltaje equivalente: es la compensación de unión fría (CJC).

Ejemplo 4 · Pt100 a 100 °C y termopar a 200 °C

a) Pt100 excitada con 1 mA a 100 °C:

R = 100 Ω (1 + 0.00385 × 100) = 138.5 Ω → V = 1 mA × 138.5 Ω = 138.5 mV sensibilidad = 1 mA × 0.385 Ω/°C = 0.385 mV/°C autocalentamiento: P = I²R = 0.139 mW; con 4 mW/°C de disipación → error ≈ 0.035 °C

b) Termopar tipo K a 200 °C, con las terminales del instrumento a 25 °C. De las tablas IEC 60584: E(200 °C) = 8.138 mV y E(25 °C) = 1.000 mV.

voltaje medido = E(200) − E(25) = 8.138 − 1.000 = 7.138 mV sin CJC, el instrumento indicaría ≈ 175 °C: un error de 25 °C

Error frecuente

Medir una RTD a dos hilos con cables largos. Un cable de 5 m con 0.1 Ω/m por conductor suma 1 Ω entre ida y vuelta, lo que agrega 1 Ω / 0.385 Ω/°C ≈ 2.6 °C de error. Las conexiones a 3 y 4 hilos (ver "Medición de resistencia a 2, 3 y 4 hilos") eliminan este efecto.

Acondicionamiento de señal

La mayoría de los sensores no entregan una señal que un convertidor pueda medir directamente: es demasiado pequeña, tiene ruido, comparte tierra con circuitos de potencia o no es lineal. El acondicionamiento de señal resuelve esto antes de la conversión.

Función	Para qué sirve	Ejemplo
Amplificación	Llevar la señal al rango del ADC y aprovechar su resolución	Termopar de mV a ±10 V
Atenuación	Reducir señales mayores al rango de entrada	Medir 400 V CA
Filtrado	Eliminar ruido y evitar aliasing antes del muestreo	Filtro pasa-bajas de 10 Hz para temperatura
Aislamiento	Romper lazos de tierra y proteger contra voltajes de modo común altos	Medir en el lado de alta de una fuente
Excitación	Alimentar sensores pasivos	Voltaje para puente, corriente para RTD o IEPE
Linealización	Compensar la curva del sensor	Polinomio del termopar
Compensación de unión fría	Corregir la referencia del termopar	Sensor de temperatura en el bloque de terminales
Multiplexado	Compartir un ADC entre muchos canales	32 termopares con un solo convertidor

Tabla 4. Funciones de acondicionamiento de señal.

El puente de Wheatstone y el amplificador de instrumentación

Los sensores resistivos de cambio pequeño, como las galgas extensométricas, se conectan en un puente de Wheatstone. En equilibrio la salida diferencial es cero y solo aparece el desbalance producido por el sensor. Para una galga activa (cuarto de puente) con factor de galga GF y deformación ε:

V_d ≈ V_exc4 · ΔRR = V_exc · GF · ε4(6)

Esa salida de pocos milivolts está montada sobre un voltaje de modo común de V_exc/2. Se necesita un amplificador que mida solo la diferencia, que rechace el modo común y que no cargue al puente. Ese es el amplificador de instrumentación (AI); su capacidad de ignorar el modo común se expresa con la relación de rechazo de modo común (CMRR).

Figura 4. Puente de Wheatstone de cuarto de puente conectado a un amplificador de instrumentación integrado. Las salidas del puente van a las entradas +IN y −IN; la única resistencia externa R_G, conectada entre las dos terminales RG, fija la ganancia. La terminal REF define el nivel de referencia de la salida (normalmente tierra).

El amplificador de instrumentación de tres amplificadores operacionales

Un amplificador diferencial sencillo, con un solo amplificador operacional y cuatro resistencias, ya resta dos señales, pero tiene dos limitaciones: su impedancia de entrada es la de sus resistencias, por lo que carga al puente, y para cambiar la ganancia hay que modificar varias resistencias a la vez sin perder el balance entre ellas. El amplificador de instrumentación resuelve ambas con tres amplificadores operacionales en dos etapas (Figura 5).

Figura 5. Amplificador de instrumentación de tres amplificadores operacionales. Todas las resistencias R son iguales, excepto R_G. A₁ y A₂ forman la etapa de entrada; A₃ es un amplificador diferencial de ganancia unitaria. Basada en el esquema de T. R. Kuphaldt, Lessons in Electric Circuits, vol. III (LibreTexts, sección 8.10).

Etapa de entrada. Las señales V₁ y V₂ entran directamente a las entradas no inversoras de A₁ y A₂, de modo que la impedancia de entrada es muy alta (del orden de GΩ) y el AI no carga al sensor. Por la retroalimentación negativa, A₁ fuerza que el punto 1 tenga el voltaje V₁ y A₂ fuerza que el punto 2 tenga V₂.
Corriente por R_G. Entre los puntos 1 y 2 aparece toda la diferencia V₁ − V₂, que produce una corriente I_G = (V₁ − V₂)/R_G. Como las entradas de los amplificadores operacionales no toman corriente, esa misma corriente circula también por las dos resistencias R de arriba y de abajo.
Voltaje entre los puntos 3 y 4. La corriente recorre la cadena R + R_G + R, así que la diferencia entre las salidas de A₁ y A₂ es la diferencia de entrada multiplicada por (2R + R_G)/R_G.
Etapa diferencial. A₃, con cuatro resistencias iguales, resta los voltajes de los puntos 3 y 4 con ganancia 1 y entrega una salida referida a tierra.

V₄ − V₃ = (V₂ − V₁)(1 + 2RR_G) ⇒ V_out = (V₂ − V₁)(1 + 2RR_G)(7)

De la Ecuación 7 se desprenden las propiedades que hacen útil al circuito:

Una sola resistencia fija la ganancia: basta cambiar R_G, sin tocar el resto del circuito ni su simetría.
Ganancia mínima de 1: con R_G abierta (resistencia infinita) los búferes son seguidores de voltaje y G = 1.
El modo común no se amplifica en la primera etapa: si V₁ = V₂, no circula corriente por R_G y los dos búferes solo copian el voltaje común con ganancia 1. La ganancia diferencial, en cambio, se aplica antes de la resta, lo que mejora el CMRR total a ganancias altas.
El CMRR depende del apareamiento de resistencias: con resistencias de 0.1 % de tolerancia en A₃, el CMRR de esa etapa puede caer, en el peor caso, a (1 + 1)/(4 × 0.001) = 500, unos 54 dB. Por eso se prefieren los AI integrados (AD620, INA128 y similares), con resistencias ajustadas por láser en el mismo chip y CMRR de 100 a 130 dB.

Si la etapa diferencial usa resistencias distintas, R₂ en las entradas y R₃ en la retroalimentación, la ganancia total se generaliza como G = (1 + 2R₁/R_G)(R₃/R₂), donde R₁ son las resistencias de la etapa de entrada. Con R = 25 kΩ y R_G = 500 Ω, por ejemplo, G = 1 + 50 kΩ/500 Ω = 101.

Ejemplo 5 · Galga extensométrica

Galga de 350 Ω, GF = 2.0, ε = 500 µε (microdeformaciones), V_exc = 10 V. Se usa un AI integrado tipo AD620, cuyas resistencias internas dan 2R = 49.4 kΩ, es decir G = 1 + 49.4 kΩ/R_G.

Vd = 10 V × 2.0 × 500×10⁻⁶ / 4 = 2.5 mV para Vo = 1 V → G = 400 → RG = 49.4 kΩ / 399 ≈ 124 Ω modo común = 10 V / 2 = 5 V error por CMRR de 100 dB (10⁵): 5 V / 10⁵ = 50 µV → 2 % de la señal error por CMRR de 120 dB (10⁶): 5 V / 10⁶ = 5 µV → 0.2 % de la señal

El CMRR es tan importante como la ganancia: con 100 dB, el modo común aparenta 2 % de deformación.

El acondicionamiento puede estar en el propio transmisor, en módulos dedicados o en el dispositivo de adquisición. La Figura 6 resume la cadena completa.

Figura 6. Cadena de un sistema de adquisición de datos basado en PC. El acondicionamiento es el puente entre el sensor y el dispositivo DAQ; omitirlo es la causa más común de mediciones ruidosas o inexactas.

Transmisión de señales: el lazo de 4–20 mA

En una planta, el sensor puede estar a cientos de metros del controlador. Transmitir un voltaje de milivolts por esa distancia es inviable: la resistencia del cable, la interferencia y las diferencias de potencial de tierra lo corrompen. La solución industrial dominante desde hace décadas es el lazo de corriente de 4–20 mA.

Figura 7. Lazo de 4–20 mA con transmisor de dos hilos. El transmisor regula la corriente del lazo según la variable medida y se alimenta de esa misma corriente. El receptor la convierte en voltaje con una resistencia de precisión.

Inmune a la resistencia del cable: en un lazo serie la corriente es la misma en todos los puntos; la caída en el cable no cambia la medición mientras la fuente tenga voltaje suficiente.
Cero vivo: 0 % corresponde a 4 mA, no a 0 mA. Un cable roto (0 mA) se distingue de una lectura de cero. La recomendación NAMUR NE 43 reserva ≤ 3.6 mA y ≥ 21 mA para indicar falla.
Dos hilos: los 4 mA mínimos alimentan la electrónica del transmisor; no se necesita cableado de alimentación aparte.
HART: superpone una señal digital FSK sobre el lazo para configurar y diagnosticar el transmisor sin interrumpir la señal analógica.

I = 4 mA + 16 mA · x − x_mínx_máx − x_mín(8)

Ejemplo 6 · Escalamiento y presupuesto del lazo

Un transmisor de presión de 0–10 bar entrega 12 mA. El receptor tiene R = 250 Ω, la fuente es de 24 V y el transmisor necesita al menos 10 V entre sus terminales.

presión = (12 − 4) / 16 × 10 bar = 5 bar voltaje en R = 12 mA × 250 Ω = 3.0 V (escala completa: 1 a 5 V) resistencia máxima de cable: 24 V ≥ 10 V + 20 mA × (250 Ω + Rc) → Rc ≤ 450 Ω

Los buses de campo digitales (Profibus PA, Foundation Fieldbus) y los protocolos sobre Ethernet (Profinet, EtherNet/IP) transmiten varias variables y diagnósticos por un mismo cable, pero el 4–20 mA sigue siendo el estándar de referencia por su sencillez.

Adquisición de datos (DAQ)

Un dispositivo de adquisición de datos (DAQ, Data Acquisition) convierte señales analógicas en datos digitales para una computadora y, normalmente, también genera señales. Se conectan a la computadora por USB, Ethernet o como tarjetas internas, y son la base del control de procesos por computadora y de los registradores de datos.

Figura 8. Arquitectura de un dispositivo DAQ multifunción. Un multiplexor comparte un solo ADC entre varios canales; el amplificador de ganancia programable (PGA) ajusta el rango de cada canal. El motor de temporización genera el reloj de muestreo y los disparos, y el DMA transfiere los datos a memoria sin intervención del procesador.

Parámetros clave

Resolución: número de bits N del ADC. El escalón de voltaje más pequeño es

1 LSB = rango de entrada2^N(9)

Rango de entrada: elegir el rango más pequeño que contenga la señal mejora la resolución efectiva.
Frecuencia de muestreo: debe ser mayor que el doble de la frecuencia máxima de la señal (Nyquist); en la práctica, de 2.5 a 10 veces. En un DAQ multiplexado la frecuencia especificada suele ser la agregada: se reparte entre los canales.
Configuración de entrada: referida a tierra (RSE), no referida (NRSE) o diferencial. La diferencial rechaza el ruido de modo común y es la opción por defecto para señales pequeñas o cables largos.
Exactitud absoluta: combina offset, ganancia, no linealidad y ruido; no se deduce solo del número de bits.

Ejemplo 7 · ¿Alcanza la resolución?

Un DAQ de 16 bits, 250 kS/s agregados, mide 8 canales de Pt100 como en el Ejemplo 4 (0.385 mV/°C).

rango ±10 V: 1 LSB = 20 V / 65 536 = 305 µV → 0.79 °C por LSB (insuficiente) rango ±0.2 V: 1 LSB = 0.4 V / 65 536 = 6.1 µV → 0.016 °C por LSB muestreo por canal = 250 kS/s / 8 = 31.25 kS/s

Con el rango de ±0.2 V la resolución sobra; la exactitud real la limitarán el offset, la corriente de excitación y el autocalentamiento.

Error frecuente

Diafonía por multiplexado (ghosting). Al cambiar de canal, el capacitor de muestreo conserva carga del canal anterior. Si la fuente tiene alta impedancia (más de 1 kΩ típicamente), no alcanza a estabilizarse y la lectura de un canal "contamina" la del siguiente. Se corrige con un seguidor de voltaje, reduciendo la frecuencia de muestreo o intercalando un canal a tierra.

Medición de resistencia a 2, 3 y 4 hilos

Muchos sensores son resistencias: RTD, termistores, galgas, potenciómetros. También lo son los shunts de corriente y las resistencias de contacto que se verifican en mantenimiento. En todos ellos, los cables que unen el sensor con el instrumento agregan su propia resistencia, y cuando el valor medido es bajo ese error deja de ser despreciable.

Figura 9. Medición de resistencia. a) A dos hilos, la resistencia de los cables se suma a la lectura. b) A cuatro hilos (Kelvin), un par lleva la corriente y otro par, sin corriente apreciable, mide el voltaje directamente en las terminales del resistor.

Dos hilos: sencillo, pero la lectura es R_x + 2R_cable. Aceptable solo con cables cortos y resistencias altas.
Tres hilos: estándar en RTD industriales (Figura 10). Un tercer conductor permite que el instrumento mida la resistencia de un cable y la reste, suponiendo que los dos conductores que llevan la corriente son iguales.
Cuatro hilos (Kelvin): la corriente circula por un par y el voltaje se mide con el otro. Como por los hilos de sensado casi no circula corriente, su resistencia no produce caída y R_x = V/I. Es el método de mayor exactitud.

Ejemplo 8 · Dos hilos frente a cuatro hilos

Se mide un resistor de 0.5 Ω con cables de prueba de 0.25 Ω cada uno.

dos hilos: lectura = 0.5 + 2 × 0.25 = 1.0 Ω → error del 100 % cuatro hilos: lectura ≈ 0.5 Ω (el error queda en la exactitud del instrumento)

Como regla práctica, por debajo de unos 100 Ω, o con cables largos, conviene medir a cuatro hilos. En una Pt100 a dos hilos, cada ohm de cable equivale a ≈ 2.6 °C de error.

La conexión a tres hilos

En la conexión a tres hilos, a un extremo de la RTD llega un conductor (A) y al otro extremo llegan dos (B y C). La corriente de excitación sale por A, atraviesa la RTD y regresa por B; el conductor C solo se usa para medir y no lleva corriente. El instrumento mide dos voltajes: V₁ entre A y B, que incluye la RTD y los dos cables portadores, y V₂ entre B y C, que es la caída en un solo cable.

Figura 10. Medición de una RTD a tres hilos por el método de dos voltajes. Como por C no circula corriente, V₂ es la caída en el cable B. Si los cables A y B son iguales, restar dos veces esa caída elimina el efecto de ambos. Los transmisores y los convertidores para RTD implementan la misma idea con dos fuentes de corriente iguales o con un puente.

R_x = V₁I − 2 V₂I (válida si R_A = R_B)(10)

Ejemplo 9 · Pt100 a tres hilos con 50 m de cable

Una Pt100 a 100 °C (R_x = 138.5 Ω) se conecta con 50 m de cable de cobre de 0.5 mm². La excitación es I = 1 mA y la sensibilidad es 0.385 Ω/°C.

Resistencia de cada conductor:

R_L = ρ·L / A = 0.0172 Ω·mm²/m × 50 m / 0.5 mm² ≈ 1.72 Ω

a) A dos hilos:

lectura = 138.5 + 2 × 1.72 = 141.94 Ω T indicada = (141.94/100 − 1) / 0.00385 ≈ 108.9 °C → error ≈ +8.9 °C

b) A tres hilos, cables iguales (R_A = R_B = 1.72 Ω):

V₁ = 1 mA × (1.72 + 138.5 + 1.72) = 141.94 mV V₂ = 1 mA × 1.72 = 1.72 mV Rx = 141.94 Ω − 2 × 1.72 Ω = 138.50 Ω → T = 100.0 °C (error ≈ 0)

c) A tres hilos, con un borne oxidado que agrega 0.1 Ω al conductor A (R_A = 1.82 Ω):

V₁ = 1 mA × (1.82 + 138.5 + 1.72) = 142.04 mV Rx calculada = 142.04 Ω − 2 × 1.72 Ω = 138.60 Ω error = 0.10 Ω / 0.385 Ω/°C ≈ +0.26 °C

La conexión a tres hilos reduce el error de 8.9 °C a cero mientras los cables sean iguales. Lo que no puede corregir es la diferencia entre ellos: en el caso c), la diferencia de 0.1 Ω produce 0.26 °C de error, casi tres cuartas partes de la tolerancia completa de una Pt100 clase A a 100 °C (±0.35 °C según IEC 60751). A cuatro hilos ese error desaparecería.

En el banco de pruebas

Para verificar un lazo de RTD a tres hilos, desconecte el sensor en campo, una los tres conductores en ese extremo y mida con un óhmetro desde el instrumento las resistencias R_AB, R_AC y R_BC. Cada medición es la suma de dos conductores, así que cada uno se despeja, por ejemplo R_A = (R_AB + R_AC − R_BC)/2. Los conductores A y B deben diferir en unas centésimas de ohm; una diferencia mayor indica un empalme, borne o terminal en mal estado.

Instrumentación de procesos y control

En una planta, la medición es el primer eslabón de un lazo de control: el transmisor mide la variable, el controlador la compara con el valor deseado (setpoint) y calcula una acción, y el elemento final de control (válvula, variador de motor, resistencia calefactora) la aplica al proceso.

Figura 11. Lazo de control de temperatura con la identificación de la norma ISA-5.1. El transmisor TT-101 mide la temperatura de salida; el controlador TIC-101 calcula la acción; el convertidor TY-101 transforma 4–20 mA en presión de aire de 3–15 psi; la válvula TV-101 regula el vapor. Un círculo sin línea indica un instrumento montado en campo; con línea horizontal, uno accesible en el panel o la sala de control.

Identificación ISA

La norma ANSI/ISA-5.1 asigna a cada instrumento un tag: la primera letra indica la variable medida y las siguientes la función; el número identifica el lazo.

Primera letra (variable)	Letras siguientes (función)	Ejemplos
T temperatura · P presión · F flujo · L nivel · A análisis	E elemento primario · T transmisor · I indicador · C controlador · V válvula · Y relevador o convertidor · S interruptor · A alarma	PT presión-transmisor · FIC flujo-indicador-controlador · LSH interruptor de nivel alto

Tabla 5. Letras de identificación ISA-5.1 más comunes (selección).

Controladores y elementos finales

Controladores: desde el control todo/nada (encendido/apagado con histéresis) hasta el PID (proporcional, integral, derivativo), implementado en controladores de lazo, PLC o sistemas de control distribuido (DCS).
Elementos finales: válvulas de control con actuador neumático y posicionador, variadores de frecuencia, contactores y controles de potencia con SCR.
Control por computadora: los principios de adquisición de datos de la sección "Adquisición de datos" se aplican al control supervisorio (SCADA) y al control digital directo, con la restricción adicional de tiempo real.

Un error en la medición se convierte en un error del proceso, porque el controlador actúa sobre lo que el instrumento le dice.

Selección y buenas prácticas

Diseñar un sistema de medición es una cadena de decisiones. La Tabla 6 resume las preguntas que conviene contestar antes de elegir el equipo.

Pregunta	Determina
¿Qué variable, en qué rango y con qué incertidumbre?	Sensor, rango, resolución necesaria, TUR
¿Qué tan rápido cambia la señal?	Respuesta del sensor, frecuencia de muestreo, filtro anti-aliasing
¿Cuántos puntos de medición?	Número de canales, multiplexado o muestreo simultáneo
¿Qué voltaje de modo común y qué riesgo eléctrico?	Entrada diferencial, aislamiento, categoría de medición
¿A qué distancia y en qué ambiente?	4–20 mA o bus de campo; protección, temperatura, vibración
¿Quién lo usará y cuánto tiempo?	Interfaz de operador, calibración periódica, mantenimiento

Tabla 6. Preguntas para seleccionar un sistema de medición.

Tierra, blindaje y cableado

Lazos de tierra: si una fuente de señal aterrizada se mide con una entrada también aterrizada, la diferencia de potencial entre ambas tierras se suma a la medición. Use entradas diferenciales o aislamiento.
Fuentes flotantes: un termopar o una batería medidos en modo diferencial necesitan una referencia (resistencias de polarización a tierra) para no salirse del rango de modo común.
Blindaje: conecte la malla a tierra en un solo extremo, normalmente del lado del instrumento, para no crear un lazo por la malla.
Par trenzado: reduce el acoplamiento magnético; separe los cables de señal de los de potencia y cruce ambos a 90°.

Error frecuente

Culpar al sensor o al sistema de adquisición de una lectura ruidosa sin revisar la tierra. Una prueba rápida: cortocircuite las entradas en el extremo del sensor y mida. Si el ruido persiste, viene del cableado o del sistema de tierras, no del sensor.

Resumen

Un sistema de medición consta de sensor, acondicionamiento, conversión, procesamiento y presentación; cada bloque aporta error.
Exactitud no es lo mismo que precisión ni que resolución. La exactitud de los instrumentos se especifica como ±(% lectura + % rango).
Un sensor de primer orden alcanza el 63.2 % del cambio en τ y el 99 % en ≈ 4.6τ.
La incertidumbre se combina en RSS y se expande con k = 2. La calibración debe ser trazable y con TUR ≥ 4:1.
Los sensores pasivos requieren excitación; el puente de Wheatstone con amplificador de instrumentación es la base para galgas y celdas de carga, y el CMRR limita su exactitud.
El termopar mide una diferencia de temperatura y necesita compensación de unión fría.
El lazo de 4–20 mA es inmune a la resistencia del cable y su cero vivo detecta circuitos abiertos.
En adquisición de datos, 1 LSB = rango/2^N; conviene usar el rango más pequeño posible, entradas diferenciales y cuidar la frecuencia de muestreo por canal.
La medición a tres y cuatro hilos elimina el error de la resistencia de los cables.
En procesos, la norma ISA-5.1 identifica cada instrumento del lazo sensor → controlador → elemento final.

Glosario ES / EN

Mensurandomeasurand: Magnitud particular que se desea medir.
Exactitudaccuracy: Cercanía entre el valor medido y el valor verdadero.
Precisión, repetibilidadprecision, repeatability: Cercanía entre mediciones repetidas en las mismas condiciones.
Resoluciónresolution: Menor cambio detectable de la magnitud medida.
Sensibilidadsensitivity: Cambio de la salida por unidad de cambio de la entrada.
Derivadrift: Variación lenta de la salida con el tiempo o la temperatura.
Tiempo de estabilizaciónsettling time: Tiempo para que la salida quede dentro de una banda del valor final.
Incertidumbre expandidaexpanded uncertainty: Incertidumbre combinada multiplicada por un factor de cobertura k.
Trazabilidadtraceability: Cadena documentada de calibraciones hasta un patrón nacional.
Banda de guardaguardband: Reducción de los límites de aceptación para considerar la incertidumbre.
Acondicionamiento de señalsignal conditioning: Procesamiento analógico previo a la conversión.
Excitaciónexcitation: Voltaje o corriente que alimenta a un sensor pasivo.
Compensación de unión fríacold-junction compensation, CJC: Corrección por la temperatura de la unión de referencia de un termopar.
Galga extensométricastrain gauge: Resistor cuyo valor cambia con la deformación.
Rechazo de modo comúncommon-mode rejection, CMRR: Capacidad de un amplificador de ignorar el voltaje común a sus entradas.
Lazo de corrientecurrent loop: Transmisión analógica por corriente, típicamente 4–20 mA.
Adquisición de datosdata acquisition, DAQ: Conversión de señales del mundo físico en datos digitales.
Disparotrigger: Señal que inicia o sincroniza una adquisición.
Diafonía por multiplexadoghosting, crosstalk: Influencia de un canal sobre el siguiente en un sistema multiplexado.
Medición a cuatro hilosfour-wire / Kelvin measurement: Separación de las rutas de corriente y de sensado de voltaje.
Elemento final de controlfinal control element: Dispositivo que actúa sobre el proceso: válvula, variador, calefactor.
Punto de ajustesetpoint: Valor deseado de la variable controlada.

Bibliografía

Libros

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Normas

JCGM 100:2008. Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM).
ANSI/ISA-5.1. Instrumentation Symbols and Identification.
IEC 60751 (termorresistencias de platino) e IEC 60584 (termopares).
NAMUR NE 43. Niveles de señal para información de falla en transmisores de 4–20 mA.