15 instrumentos digitales 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

CÁTEDRAS

TÉCNICA DE LAS MEDIDAS

Carrera: Ingeniería Electromecánica

MEDIDAS ELÉCTRICAS Y TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN

Carrera: Ingeniería Eléctrica

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIGITALES PARTE 1

Ing. Susana Prado Iratchet

San Juan: año 1999

Instrumentos de medida digitales 1- Ing. Susana Prado Iratchet- 1999

TÉCNICA DE LAS MEDIDAS 2 de 20

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ÍNDICE DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIGITALES

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIGITALES 3 1. INTRODUCCIÓN 3 2. DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS QUE LO COMPONEN ALGUNOS INSTRUMENTOS 4 2.1. Etapa transductora 4 2.2. Etapa adaptadora 5 2.3. Etapa conversora 5 2.4. Generadores de forma de onda 9 2.5. Dispositivo de lectura 9 3. INSTRUMENTO DIGITAL SIN PROCESAMIENTO DIGITAL 10 3.1. Especificaciones de exactitud de un instrumento digital sin procesamiento 10 3.2. Distintas mediciones que realizan los instrumentos de medición sin procesamiento 12 4. INSTRUMENTOS DIGITAL CON PROCESAMIENTO DIGITAL 12 5. CALIBRACIÓN, CALIDAD, ESPECIFICACIONES 10 6- Construyendo las especificaciones 12 Calibración del equipo de estado sólido 14 6. Trazabilidad 15 7. BIBLIOGRAFÍA 16



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INSTRUMENTOS de MEDICIÓN DIGITALES

1. INTRODUCCIÓN

Los instrumentos de medida de estado sólido digitales los clasificamos en: a) Instrumentos de medida digitales sin procesamiento digital: son aquellos

que emplean circuitos electrónicos con convertidores A/D; su indicación es digital, su característica es que no memorizan los eventos pasados, cada dato está tomado en tiempo real. Suelen tener hold donde se memoriza sólo el último evento. Ejemplo: Tester digitales, voltímetros, amperímetros digitales, medidor de resistencia, de frecuencia, de capacidad.

b) Instrumentos de medida digital con procesamiento digital, llamados inteligentes: porque

cuentan con convertidores A/D y D/A que son controlados por un microprocesador, su salida ya no es única y puede ser alguna de estas opciones: digital, analógica, con comandos lógicos de control, a una P.C, etc. Su característica es de memorizar los datos en memoria RAM, permitiendo que luego puedan ser

usados a través de soft adecuados (C, QBASIC, MATLAB, LABVIEW), obteniéndose informaciones más complejas.

Todo instrumento de medición digital consta básicamente de las siguientes etapas funcionales:

figura Nº 1 Elementos funcionales de un instrumento o sistema de medición digital

1- MAGNITUD FÍSICA A MEDIR 2- ETAPA TRANSDUCTORA 3- MAGNITUD ELÉCTRICA 4- ETAPA ADAPTADORA 5- SEÑAL ANALÓGICA ADAPTADA .6- ETAPA CAPTURADORA DE DATOS (SÓLO CON

PROCESAMIENTO) 7- ETAPA CONVERSORA A/D.

9- INTERFACE A PC 10- PROCESAMIENTO DIGITAL 11- DISPLAY 12- PANTALLA 13- SALIDA DIGITAL 14- SALIDA ANALÓGICA 15- SALIDA A IMPRESORA



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8- SEÑAL DIGITALIZADA (DISCRETIZADA)

ELEMENTO SENSOR PRIMARIO: ( E S P): es el que sensa la variable con la condición de manifestarse frente a cualquier cambio dinámico o energético. ELEMENTO DE CONVERSIÓN VARIABLE: ( E C V ): Convierte la señal recibida por ESP a una señal mas adecuada pero conservando siempre la proporcionalidad. ELEMENTO DE MANIPULACIÓN VARIABLE: ( E M V ): Trata específicamente de un cambio en el valor numérico de al señal. ELEMENTO TRANSMISOR DE DATOS: ( E T D): Enlaza los componentes separados llevándoles la señal. ELEMENTO DE PRESENTACIÓN DE DATOS: ( E P D): Muestra la información de la variable medida al usuario final.

2. DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS QUE LO COMPONEN ALGUNOS INSTRUMENTOS

2.1. Etapa transductora

La mayoría de los fenómenos que interesan a los científicos e ingenieros no son fenómenos eléctricos,pero los aparatos que se utilizan para medir, sí lo son por la gran facilidad con que puede medirse, estudiar y registrar las señales eléctricas Si bien el tipo de medición que realiza un ingeniero civil es muy diferente a la de un químico, las diferencias en el instrumento son sólo del transductor que se emplea. Primero debe determinarse cuál es el método más adecuado para realizar la medida y una vez obtenida la señal eléctrica que representa la cantidad física medida, se procesa esta señal ya sea por los amplificadores y/o atenuadores que son comunes a todos los instrumentos electrónicos.

transductor de entrada es el dispositivo que convierte una señal no eléctrica en señal eléctrica. transductor de salida es el dispositivo que convierte la señal eléctrica en señal no eléctrica. Se mencionarán algunos transductores sólo como ejemplos, para un estudio más amplio ver el TEMA 6 "Medición de magnitudes no eléctricas" en la materia "TÉCNICA DE LAS MEDIDAS"

#- transductores de entrada resistiva se usan para determinar:1

a) El espesor de un material b) deformaciones

1 Ver Instrumentación electrónica A.J. Diefenderfer



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c) temperatura d) humedad e) presiones bajas f) fuerza

#- de entrada capacitiva para determinarn a) espesores b) nivel de líquido no conductor c) humedad

#- inductivos

a) tacómetro b) medidor de flujos c) presión

2.2. Etapa adaptadora

Se llama a la etapa donde se adecua la señal de entrada a los requerimientos del circuito electrónico (siguiente etapa del instrumento). Se puede clasificar a esta adaptación en dos grupos:

a) cuando se amplifica o reduce la señal para adecuarla a los rangos de

tensión y/o corriente de los dispositivos electrónicos ( )V10,V5ejemplo Por ±± ;

b) cuando se la prepara para la conversión A/D porque durante dicho proceso la señal de entrada debe permanecer constante.

En los instrumentos sin procesamiento digital, si la entrada es una señal variable alterna necesita ser convertida a una señal contínua estable para su conversión digital Los amplificadores operacionales AO que componen los circuitos rectificadores tienen limitaciones de frecuencia; siendo deseable que no se altere el contenido de la información de la señal de entrada. Siendo ésta la etapa más importante que define la calidad de un instrumento de medida sin procesamiento digital. Los que menos degradan la información de la señal son llamados TRUE RMS ó verdadero valor eficaz.

2.3. Etapa conversora

Se llama "Conversión analógica a digital" a traducir la información de la señal analógica a una señal digital (de dos estados: SI-NO) o dividirse en n segmentos equivalentes a la magnitud analógica. Todos los convertidores A/D emplean uno o más comparadores (formados por AO2). Una regla para una "buena" conversión en los instrumentos sin procesamiento es: que la rapidez de conversión del A/D debería ser el doble de la frecuencia más alta que tenga la señal que se va a convertir. Así una señal analógica donde la frecuencias de su mayor armónica que quiero estudiar sea de de 200 Hz requirirá un conversor cuya rapidez sea de 400 Hz ó 2,5 (1/400) msegundos por conversión. En cambio para los instrumentos con procesamiento digital la teoría dice que la captura de datos y conversión A/D debe ser realizada en un tiempo 10 veces menor que el período de la armónica de mayor orden que queremos medir. Así para una señal analógica cuya fundamental sea de 50 Hz y 2 AO= Amplificado operacional



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queremos medir hasta la armónica onceava (550 Hz), el tiempo de lectura entre dato y dato debe ser 10 veces menor a 2 mseg (1/5500).

El convertidor contador tipo A/D

Una señal de entrada adaptada para la conversión Vs se coloca en bornes del convertidor A/D. Una secuencia de pulsos igualmente espaciados (generados por el reloj interno u oscilador interno) pasa a través de una compuerta electrónica que permanece normalmente cerrada (NY) que se abre en el instante en que empieza la lógica del circuito electrónico3. Dicha puerta del NY permanecerá abierta hasta que la tensión lineal de barrido Vdigital (señal digital convertida a analógica) alcance al potencial de referencia en un comparador, regulado a un nivel igual a la tensión analógica a convertir Vs. El número de impulsos del tren que pasa por la puerta NY es por tanto proporcional a la tensión analógica Vs a convertir. En el convertidor A/D del la figura el impulso borrador lleva a cero el contador. El contador registra en binario el número de pulsos de la línea del reloj.proporcionales al valor analógico de entrada ver figura Nº2.

figura Nº 2 Conversión A/D de rampa Desventajas: El tiempo de la conversión depende del valor de la tensión analógica Vs. Baja relación de conversión es decir la relación entre la frecuencia del reloj dividida por el número de bits para una cuenta a plena escala. El valor máximo de la tensión analógica vendrá representado por un número de impulsos n ( en el caso de la fig es 7). Es evidente que n debe hacerse lo más grande posible para que los saltos de la Vd sean lo más chicos posibles con lo que disminuiríamos el error por truncamiento en el último escalón. La precisión del convertidor depende del comparador. Para que tenga lugar el cambio en el comparador ó A.O. debe haber una ligera diferencia de tensión del orden de los 5mV. Si se calentara el A.O. necesitaría una tensión más elevada lo que constituye una fuente de error. Otra fuente de error es si el oscilador del reloj o generador de pulsos varía su frecuencia. Una desventaja importante es que los ruidos en la entrada influyen en la medida puesto que medimos no sólo el valor Vs sino la tensión de ruido y la salida daría un valor falso de pulsos (por ejemplo 8). Ventajas: Su principal ventajas es que son baratos

Convertidor A/D por aproximaciones sucesivas

3Una compuerta Y es aquella que tiene una señal de salida si en ambas entradas existe señal, mientras

que una compuerta NY es aquella que tiene salida si existe sólo una de las señales de entrada ; cuando existen las dos entradas, la salida de esta NY se hace cero. su símbolo es



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Es una variante del anterior contador, donde se obtiene rapidez de la conversión con un buen valor de exactitud. El diagrama de bloque funcional de la figura Nº3 es engañosamente simple porque se necesita en realidad un número grande de compuertas y flip-flop´s (FF). Se emplea un programador que pone el bit más significativo (MSB) en 1 con todos los demás bits a cero y el comparador coteja la salida del D/A con la señal analógica. Si la salida del D/A es mayor, el 1 se elimina del bit más significativo y pasa al inmediato inferior. Si la entrada analógica es mayor, el 1 permanece en el lugar y se va tanteando un 1 en cada lugar del decodificador D/A siguiendo el proceso hasta obtener un equivalente binario a la señal analógica.

figura Nº 3 Conversión A/D de aproximaciones sucesivas

El número de pasos depende del número de bits de la salida digital: Supongamos tener una tensión analógica cuyo valor en digital sea 10110101, y la queremos medir. De acuerdo a lo anterior el contador ponía en 1 el MSB y en 0 los demás y supongamos además que la salida sea de 8 bits, la tensión del convertidor será 10000000. En el comparador la señal de entrada es mayor que la señal del contador por lo que su salida es nula, entonces coloca un 1 en el segundo dígito más significativo y se realiza la comparación de nuevo. Mostrando los pasos del comparador sería:

Tensión del convertidor Tensión de entrada vi: 1 0 1 1 0 1 0 1 Pasos tensión convert. Comp 1 1 0 0 0 0 0 0 0 vi<vc 2 1 1 0 0 0 0 0 0 vi>vc 3 1 0 1 0 0 0 0 0 vi<vc 4 1 0 1 1 0 0 0 0 vi<vc 5 1 0 1 1 1 0 0 0 vi>vc 6 1 0 1 1 0 1 0 0 vi<vc 7 1 0 1 1 0 1 1 0 vi>vc 8 1 0 1 1 0 1 0 1 vi=vc Ventajas. Es un método rápido y estable como para ser usado en computadoras. Los valores de conversión típicos varían entre 5 µseg y 100 µseg. Es independiente el tiempo de la conversión de la tensión de entrada. Desventajas: Los errores de este método depende de: a) la resolución del comparador. b) la precisión de la red divisoria de tensión, que es normalmente resistiva, en instrumentos de calidad puede ser inductivo. c) La estabilidad de la tensión de referencia, si bien se consiguen cada vez más estables.

El convertidor integrador A/D de doble rampa

Se usa en forma extensa por tener una buena relación de conversión y buena exactitud. Al empezar la conversión está la señal Vent y arranca el control analógico cerrando AS1 y abriendo AS2. Vent se aplica al integrador al mismo tiempo que el reloj se habilita y empieza a agregar pulsos al contador. Esto sigue hasta que el contador se llena y rebasa.



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figura Nº 5 Conversión A/D de doble rampa

El siguiente pulso del reloj vuelve a cargar al contador a cero y transmite un pulso de rebase al control lógico. Entonces se cierra AS1 y se abre AS2 aplicándose la tensión conocida Vref al integrador. Cualquier valor de tensión que se almacenara en el integrador Vent/RC será removido o desplazado por -Vref/RC el comparador sirve como detector de cruce por cero porque al reloj.

V3

V2V1

pendientes constantesproporcionales a la tensión

de referencia

tiempo de integración tiempo de integración de la señalde la señal de entrada de referencia

t1 t2t3

τ

figura Nº 6 Conversión A/D de doble rampa Transforma el valor de medida en un intervalo de tiempo que es medido e indicado por un contador de intervalos. La medida real es una conversión tensión-tiempo, el tiempo de muestreo es constante y puede ajustarse de tal forma que rechace el ruido:

a) durante un tiempo fijo τ= 1/f de la red; durante el cual se carga un condensador (amplificador

operacional) con una pendiente proporcional a la tensión de entrada. Al final del tiempo τ se conmuta la entrada al amplificador operacional conectándose a una tensión de referencia, de polaridad opuesta a la tensión de entrada el condensador se descarga a un ritmo constante, dando intervalos de tiempo durante los cuales fluyen pulsos al contador proporcionales a la magnitud de la tensión de entrada. por ejemplo: t1 ∝V1, t2 ∝V2

Vemos que 21

32

ref

intttt

VV

−−

=

Se independiza de las variaciones en la capacidad, la frecuencia o una variación en la tensión porque al hacerse el cociente se eliminan las variaciones suponiendo que los errores se mantengan en un ciclo de medida. Sólo se exige que el oscilador sea estable en un ciclo de medida y que la tensión de referencia sea estable a lo largo del tiempo. Ventajas:



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La rapidez de conversión del doble rampa es similar al de simple rampa pero sin los problemas de éste. La exactitud es buena debido a que el tiempo de integración de la señal de referencia es independiente del valor de R y C del integrador dependiendo sólo del valor de la tensión de referencia y ésta es posible mantenerla muy estable. Además al utilizarse el mismo generador de sincronismo, contador, comparador e integrador para la tensión de entrada como la de referencia, cualquier variación en el sistema, se cancela. Al usarse el integrador mejora la exactitud pues tiende a suprimir los ruidos del sistema por ser un filtro pasa bajo.

Inconvenientes: No es tan rápido como el anterior, los tiempos de conversión tipicos varían entre 0,1 mseg y 1 mseg. La tensión de medida se compara sólo durante un tiempo muy reducido, de modo que las tensiones alternas parásitas superpuestas originan errores de medición. El error de lectura depende de: a) las características del conmutador de entrada o referencia. b) las características del amplificador y de las fugas del amplificador operacional. c) la tensión de referencia.

2.4. Generadores de forma de onda

Los sistemas digitales están temporizados, es decir funcionan sincronizados con un tren de pulsos de período T, denominado sistema reloj.

La calidad de la forma de onda y la confiabilidad en la frecuencia son dos primordiales consideraciones a tener en cuenta en el diseño de un generador de forma de onda. Cualquier forma de onda es originado por un generador de onda primario o básico y mediante modificaciones adecuadas se consigue la forma de onda deseada. La forma de onda cuadrada entonces puede ser obtenida a partir de una señal senoidal. La calidad de la onda cuadrada puede ser más pobre que la de la onda senoidal pero no podrá ser mejor El más difundido de los generadores es el que cuenta como oscilador a un cristal piezoeléctrico debido a su gran estabilidad. El cristal reemplaza a un circuito resonante LC .

figura Nº7Circuito equivalente de un cristal piezoeléctrco

Este tipo de osciladores producen una onda senoidal pura cuya frecuencia es la de resonancia del

cristal LC2

1fo

π= .

Este tipo de generadores se emplea cuando se necesita una buena referencia de frecuencia o de un intervalo de tiempo. El cristal de cuarzo funciona a una frecuencia típica entre 5 a 10 MHz su intervalo de tiempo de

referencia es de MHz5

1 ó seg10MHz101

µ≈ utilizado por el elemento contador.

Se ha llegado a obtenerse estabilidades de una parte en 108 o mejores con lo que la exactitud puede llegar a ser de 0.001% o mejor.

2.5. Dispositivo de lectura

Para la visualización de la medida en forma analógica se usan los llamados display.



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Un Display es un dispositivo de lectura que está constituido por una pantalla que indica en forma decimal el valor del mensurando. Está formado por un número de bloques o dígitos independientes. Es común llamar al instrumento en base al número de dígitos que conforman el display y relacionarlo con la máxima lectura adimensional prevista. Para la visualización cada elemento del display pueden formar el número de 0 a 9 y el primer número de la izquierda da el número 1 ó 2ó 3 y el signo. Por ello se denominan los instrumentos en base al número de dígitos que forme el display No se puede obtener un instrumentos cuya exactitud sea menor a

1LSD/Valor máximo de lectura Por ejemplo si un instrumento es de 3 ½ dígitos y su máxima lectura es 1999 entonces su mejor exactitud será de 0,05%. No puede tener el instrumento una incertidumbre menor que ese valor con ese número de dígitos.

3. INSTRUMENTO DIGITAL SIN PROCESAMIENTO DIGITAL

Este instrumento digital es esencialmente un voltímetro digital de c.c. de reducido alcance (± 10V), el que mediante adecuadas etapas de adaptación, puede cumplir distintas funciones como ser: voltímetros de c.c.-c.a., amperímetros de c.c.-c.a. óhmetros, medidores de capacidad, inductancias , termómetros. La magnitud física a medir podrá ser una magnitud eléctrica (V, I, P, R) o cualquier otra que mediante un transductor sea convertida en una magnitud eléctrica proporcional a la magnitud que deseamos medir. El diagrama funcional de este tipo de instrumentos es el siguiente:

figura Nº 8 Elementos funcionales de un instrumento

medición digital sin procesamiento digital 1- MAGNITUD ELÉCTRICA 2- ETAPA ADAPTADORA 3- TENSIÓN CONTINUA 4- ETAPA CONVERSORA A/D. 5- SEÑAL DIGITALIZADA

6- ETAPA CONTADORA 7- INFORMACIÓN 8- DISPOSITIVO DE LECTURA 9- UNIDAD LÓGICA 10- OBSERVADOR

Etapa adaptadora

Hay instrumentos que rectifican la onda de entrada al valor medio usando circuitos puentes de diodos, y hay otros que al rectificar lo hacen al valor eficaz de la onda . Otros ofrecen el VERDADERO VALOR EFICAZ porque el rango de frecuencia en que trabajan es lo bastante ancho como para que el error que se pueda estar cometiendo al no tomar todo el rango de frecuencia sea mínimo.

Diferencias en la conversión

Dependiendo del método de conversión A/D será la exactitud del instrumento, siendo el doble rampa el más exacto. Se podría decir que estos instrumentos miden el evento que sucede en su entrada y muestran esa información; si la entrada varía estos instrumentos muetran esa variación pero pierden la información del evento anterior.

3.1. Especificaciones de exactitud de un instrumento digital sin procesamiento

Las especificaciones de un instrumento digital se suelen dar: a) *en un tanto por ciento de la entrada (o lectura) (porcentaje de la entrada) * en un porcentaje del fondo de escala (escala completa) (porcentaje de rango) b) un error de resolución igual al número de dígitos de la década menos significativa

±[0,1% de la entrada+ 1 dígito (l.s.d.)] Para una mejor especificación de la exactitud requerida, el usuario debería tener en cuenta, que el error atribuido al porcentaje de lectura varía con la entrada (reading=rdg)y generalmente no tiene efecto en el extremo más bajo del rango. En cambio el porcentaje de plena escala (full scal= FS, range=r)es un error constante y es el factor determinante en el extremo más bajo del rango y es también un error que se mantiene con la entrada cortocircuitada.



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Ejemplo Nº1:

Determinar en tanto por ciento de la lectura, la incertidumbre de una lectura de 32,5V en un voltímetro digital que tiene a fondo de escala 99,9V (3 dígitos) y una especificación de exactitud de: ±(0,1% de la entrada + 1 dígito (l.s.d.) Donde 0,1% entrada equivale a 0,1%lectura y 1l.s.d. equivale a 0,1V; entonces el error relativo del dígito será:

%307,03251

1005,32

1,0==

La incertidumbre total de la medida es ±(0,1 +0.307)% = ± 0,407%. O expresada en voltios: ± (0.0325+0.1)=0.13 [V].

Ejemplo Nº2:

Calcular la incertidumbre de distintas medidas para la misma escala de 200mV para un instrumento de 4 ½ dígitos cuya exactitud viene expresada cómo: ± (0,04% rango+3 lsd) lectura Exactitud Incertidumbre 199,99

10019999

3%04,0 + 0,055%

100,00 100

100003

%079,0 + 0,11%

50 0,16%+0,06% 0,22% 2 4%+1,5% 5,5% Debe usarse este instrumento cerca del alcance máximo. Las variaciones de temperatura en el instrumento se reflejan en la incertidumbre. Un instrumento puede operarse entre 15 a 40°C sin hacer ninguna corrección, pero existen otros instrumentos para los cuales su coeficiente de variación de exactitud por temperatura afecta a la medida. Por ejemplo: ±0.05% de la lectura +0.002% de la escala por cada °C que fuera de su rango de trabajo 18 a 23 °C. Ejemplo de una misma lectura realizada a dos temperaturas diferentes (rango 1000): lectura Indeterminación a

23°C en % % lectura %escala Indeterminación a

35°C 99 0.05 0.05 0.24 0.29

Ejemplo Nº3:

Se da las especfificaciones para un voltímetro digital: #Coeficiente de temperatura: 0-18°C y 28-55°C.

Escala de 200mV:±(0,006%+0,4l.s.d.) por°C. Todas las otras escalas±0,006%+0,2l.s.d.por°C.

#Resistencia de entrada 10MΩ ±0.1% #Relación de rechazo de modo normal >60dB a 50 y 60Hz #Relación de rechazo de modo común (desequilibrio de 1KΩ) >120dB en cc a 50Hz y 60Hz. #Tiempo de establecimiento 1s para alcanzar la lectura final ±1dígito.

La especificación de exactitud hace que sea engorroso calcular la indeterminación de cada lectura, por consiguiente es útil para un instrumentos ue se utiliza constantemente trazar la curva de exactitud. Si el voltímetro mide alterna tendrá además las siguientes especificaciones:

Exactitud para frecuencias entre 45-100Hz: ± (0,7% +15 l.s.d.) Para la escala de 20V y superiores: 10-20 kHz ±(0,8% = 15l.s.d.) Respuesta: verdadero valor cuadrático medio: factor de cresta,3 Impedancia de entrada: 1MΩ ± 1% en paralelo con menos de 75 pF Tensión máxima de entrada: 1000V eficaces. 1400V de pico.



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Relación de rechazo de modo común (desequilibrio de 1 KΩ ): 60dB en c.c. a 50 y 60 Hz. Tiempo de restablecimiento 2,5s (para alcanzar la lectura final ± 10 dígitos).

Escala Lectura máxima Exactitud (por encima de las 2000 cuenta) 18-28°C;100Hz-10kHz ±(%lectura+1dígito)

Coeficiente de temperatura 45Hz-10kHz 0-18°C y 28-55°C ±(%lectura+dígitos/°C)

200mV 199.99 0.7%+15l.s.d. 0.07%+2l.s.d 2V 1.9999 0.6%+15l.s.d 0.07%+l.s.d 20V 19.999 0.5%+15l.s.d 0.05%+2l.s.d 200V 199.99 0.5%+15l.s.d 0.05%+2l.s.d 1000V 1000.0 0.5%+15l.s.d 0.05%+2l.s.d

3.2. Distintas mediciones que realizan los instrumentos de medición sin procesamiento

a) Medición de tensión en c.c. Al no ser necesario la etapa de convertir ac a dc la exactitud en esta medición es mayor b) Medición de tensión en c.a. Ya se hace necesario convertir a contínua la señal, la exactitud estará determinada por el método de conversión y por el contenido de armónicos que tuviera dicha señal. c) Medición de corriente en c.c. La medición de corriente se hace midiendo la tensión sobre una resistencia conocida, lel error es mayor que el que se comete midiendo tensión contínua. d) Medición de corriente en c.a. También se mide la tensión sobre una resistencia conocida y luego se convierte, por lo que el error es mayor que si se midiera tensión alterna. e) Medición de potencia El instrumento debe tener la posibilidad de medir simultáneamente la tensión y la corriente. Se determina el cruce por cero de cada señal y se mide la diferencia, que no es otra cosa que el ángulo ϕ, a partir de allí lógicamente se realiza Vrms. Irms cos ϕ = P. f) Medición de frecuencia La medición se realiza entre dos cruces por cero de la onda, el primer cruce habilita al reloj y el segundo lo detiene, luego se cuenta el número de pulsos. La exactitud estará determinada por la frecuencia del generador de pulsos porque mientras mayor sea la cantidad de pulso por segundo mayor será la exactitud. g) Medición de resistencia h) Medición de capacidad

4. INSTRUMENTOS DIGITAL CON PROCESAMIENTO DIGITAL

Los instrumentos digitales con procesamiento digital están gobernados por un microprocesador Sus entradas son digitales y/o analógicas y sus salidas son digitales y/o analógicas de acuerdo a la necesidad del proceso que comandan o estudian. El principio de la medición es diferente al de sin procesamiento digital. Estos realizan un muestreo de la señal cada determinado lapso de tiempo ∆T, luego guardan la información. A partir de allí se puede operar la información de acuerdo a las pretensiones del usuario, abriéndose un abanico de posibilidades que sorprende día a día por el ingenio que muestran los diseñadores de estos equipos. Se podría representar el diagrama en bloque del funcionamiento de los instrumentos digitales con procesamiento de la siguiente manera:



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figura Nº 9 Elementos funcionales de un instrumento de medición digital con procesamiento

1- MAGNITUD FÍSICA A MEDIR 2- ETAPA TRANSDUCTORA 3- MAGNITUD ELÉCTRICA 4- ETAPA ADECUADORA 5- SEÑAL ANALÓGICA ADAPTADA 6- ETAPA CAPTADORA Y CONVERSORA A/D. 7- SEÑAL DIGITALIZADA

8- INTERFACE A PC 9- PROCESAMIENTO DIGITAL 10- DISPLAY 11- PANTALLA 12- SALIDA DIGITAL 13- SALIDA ANALÓGICA 14- SALIDA A IMPRESORA

Una vez que se tiene definido lo que se quiere medir y la información que se desea obtener es muy importante la elección de la forma de la ADQUISICIÓN DE DATOS que debe tener el equipo , el soft con que debe contar y las salidas que deben existir.

Adquisición de datos

Esta es una etapa que determina la compra de un equipo. El tiempo de muestreo me define la exactitud de la información que se puede obtener de la señal. Si la señal que se desea medir tiene contenidos de armónicos de muy alta frecuencia y el tiempo de muestreo es tan grande que no sea posible "reconstruirla" , se habrá elegido mal el equipo porque no cumple para lo que fue comprado. A su vez un equipo que cuente con un tiempo entre cada muestra muy pequeño será sin duda caro, que sólo se justificaría si el evento que quiere medirse necesite esa gran rapidez en la velocidad de muestreo. Se recomienda que la frecuencia de muestreo sea 10 veces mayor que la frecuencia de la mayor armónica que se desea medir con esto nos aseguraremos de poder reproducir la onda con una gran exactitud.

Las plaquetas adquisidoras cuentan con un multiplexor con un nº de canales de entrada (8, 12) estos se conectan a los eventos que se quieran medir, el adquisidor de datos toma de un canal el valor de la señal en ese momento y lo "retienen" a través del siguiente circuito llamado sample-hold:



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Cuando la puerta del control lógico cierra a S, la tensión del condensador sigue la señal de entrada durante un tiempo Tg, luego se abre la llave S y la tensión en el condensador mantiene el valor alcanzado durante toda la conversión A/D porque la entrada de A/D es infinita y no tinen por donde descargarse. Pasado el tiempo de la conversión se vuelve a cerrar la llave S y la tensión en el capacitor se actualiza al valor de la señal de entrada. Como el proceso de carga del capacitor no es instantáneo se puede disminuir este tiempo (el tiempo de muestreo estaría sólo determinado con el convertidor) si se usan dos capacitores en paralelo como se muestra en la figura siguiente:

Ahora cuando se cierra S3 se carga C2, estando S1 abierto, luego se abre S3 y se cierra S4 empezando la conversión A/D, mientras se cierra S1 cargando C1 estando S2 abierto; cuando termina la conversión de la lectura Nº1, se abre S4 y se cierra S2 empezando la conversión de la lectura Nº2.

5. CALIBRACIÓN, CALIDAD, ESPECIFICACIONES

Antes de comprar un equipo es necesario realizar un estudio comparativo exhaustivo de las características y especificaciones de los instrumentos, para definir si el equipo cumple con los requisitos en cuanto a costo versus exactitud y prestaciones. Se da a modo de ejemplo las características y especificaciones de un equipo que si nos quedamos con las primeras especificaciones y no continuamos investigando podemos cometer el error de crrer que este equipo tiene una buena exactitud. Siendo todo lo contrario Analizador de potencia compacto HIOKI: Ø Especificaciones básicas para una señal de entrada senoidal, después de 30 minutos de conectado para un factor de potencia cosϕ=1, con

sincronización PLL TENSIÓN CORRIENTE POTENCIA ACTIVA ±0.1%rdg.±0.2%f.s. ±0.1%rdg.±0.2%f.s.+exactitud de la

pinza ±0.1%rdg.±0.2%f.s.+exactitud de la pinza

Exactitud de la pinza o sensor : ±0.5%rdg.±0.2%f.s. ¨f.s.¨: fondo de escala es el valor de rango 3166 Exactitud de potencia aparente: para todos los valores medidos: ±1 dígito por cálculo. Exactitud de potencia aparente: Cuando se emplea el método de medición de potencia reactiva: ±0.1%rdg.±0.2%

f.s.+exactitud de la pinza. Cuando no se emplea el método de medición de potencia reactiva, para todos las medidas: ±0.1dgt, por cálculo.

Exactitud total o integral: Para cada medición de potencia activa, reactiva, aparente la exactitud de ±0.1dgt. Exactitud del factor de potencia: ±0.1dgt por cálculo. Exactitud de frecuencia: ±0.5%rdg.±0.1dgt Exactitud de la salida D/A: exactitud de la medición ±0.2%f.s. Coeficiente de temperatura: dentro de ±0.1%f.s. Característica de frecuencia: Para una fundamental entre 45Hz a 66Hz para la 50vaarmónica ±3%f.s.+exactitud en la

medición. Con una fundamental entre 360Hz a 440Hz para la 7ma armónica es ±3%f.s.+ exactitud en la medición

Influencia de la tensión de fase: dentro de ±0,2% f.s. para 600Vrms y 50/60Hz Exactitud en tiempo real:±25ppm±1 segundo para 25°C.



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ØEspecificaciones básicas: Impedancia de entrada: Tensión: 1.3MΩ±10%, corriente 0,8Ω±10% (50/60Hz). Método de rectificación: R.M.S. Factor de cresta: Tensión: 2 o menos (f.s. excepto 1.41 o menor en 600V). Corrinete 3 o menor (f.s. de entrada,

excepto 2.84 o menor para el rango de 500 A). Razón de sampling: once por segundos excepto si se usa floppy disk o una interface Rs- 232C. ØEspecificaciones generales: Altitud: hasta 2000m Temperatura de operación: 0°C a 40°C 80% de humedad o menos. Potencia de la fuente: 100 a 240V ±10% 50/60Hz. Resistencia de aislación: al menor 100MΩ a 500V en c.c. Aplica normas: EN61010-1:1993 polución grado 2 sobretensión categoría III. Sobretensión transitoria de 6000V. Por lo tanto podemos concluir que:

EEll 11eerr NNúúmmeerroo eess ssóólloo llaa mmiittaadd ddee llaa hhiissttoorriiaa.. Las especificaciones son una descripción escrita del rendimiento de un instrumento que cuantifica objetivamente sus capacidades.

Niveles de especificaciones

Hay tres niveles de especificaciones: − PPrriimmaarriioo Empleado más a menudo en las especificaciones de compra. Las Especificaciones primarias incluyen: − Trazabilidad (relativa o total) − El mejor tiempo que se mantiene la calibración − Especificacione secundarias − Otras especificaciones − Otras consideraciones − SSeeccuunnddaarriioo Modificaciones de las especificaciones primarias Especificaciones secundarias incluyen − Tiempo (reproducibilidad o estabilidad) − Temperatura (coeficiente) − Regulación lineal − Regulación de carga − Linealidad − Capacidad de carga reactiva. − TTeerrcciiaarriioo Todas las otras especificaciones. Son aquellas que cumplen con las normas de seguridad y medio ambiente o ecológicas. EEEssspppeeeccciiifffiiicccaaaccciiióóónnn ttteeerrrccciiiaaarrriiiaaa − requerimientos EMI/RFI (mil-StD,FCC, etc) − Seguridad (UL,VDE,CSA, etc) − Humedad − Altitud − Requisitos de medio ambiente Otras consideraciones − Requisitos de mantenimiento de la calibración



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− Confiabilidad − Filosofía de servicio − Reputación de la manufactura

Forma general de las especificaciones primarias

( ) ( )[ ]PISOrangoGsalidaF ++±

Unidades usuales en las especificaciones ppm % Dígitos Volts F(salida) x x G(rango) x x x x Piso (umbral) x x

Se pueden combinar en un sólo número las especificaciones de Piso + rango.

6- Construyendo las especificaciones

PRIMARIAS

1) F[salida] ( )salida la de %004,0±

2) G[rango] Un ejemplo de error de rango:

G(rango)= 0,001% (10ppm) rango= 10Volts fondo de escala= 20 Volts G(rango) en volts= 0,001% x 10 V= 100 µV G(full escala)= 0,001% x 20V = 200µV

( )escala de fondo de %001,0 salida la de %004,0 +±

3) Valor constante



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( )V5+ escala de fondo de %001,0 salida la de %004,0 µ+± 4) primera especificación válida para 90 días 5)Corrección de la especificación por temperatura 6) Corrección de la especificación por regulación de carga 7) Corrección de la especificación por regulación lineal Una vez que se concluye el trazado de las especificaciones podemos decir que conocemos como trabaja el instrumento y podemos comparar con otro a igualdad de medidas.

Las especificaciones incluyen: Ø Trazabilidad relativa o total Ø El mejor tiempo de calibración Ø Especificaciones secundarias Ø Otras especificaciones

Ejemplo de especificaciones secundarias: a) Modificación de la primera especificación con el tiempo

b) Si le agregamos las correcciones por temperatura, carga y por regulación lineal llegamos a la

especificación total utilizable.



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Calibración del equipo de estado sólido

Los equipos o instrumentos de estado sólidos necesitan ser periódicamente calibrados para seguir cumpliendo con las especificaciones (compliance). Esto se debe a que dichos instrumentos están formados por un número grande y diverso de componentes cuyos valores cambian con el tiempo. Los instrumentos más complejos pueden contar con decenas de puntos de ajustes físicos como son los potencióemtros y capacitores variables. El sedempeño de los instruemntso cambian con: el tiempo, temperatura, humedad, exposición del medio ambiente, el uso normal, con el abuso. La calidad de un instruemnto se basa en la calibración ininterrumpida que se efectúa para garantizar la trazabilidad del equipo. Las empresas que practican la calibración son: ü Fábricas de equipo eletrónicos ü Aerolíneas ü Universidades ü Instituos de investigación ü Organizaciones de comunicaciones ü Organismos del estado ü Entes reguladores ü Organismo de fin público. Hay dos clases de calibración: § Calibración propiamente dicha: comprende medición e informe de la respuesta/salida e

incertidumbres. § Simple calibración: la determinación que el inetrumento cumple con las especificaciones. Calibración propiamente dicha: Se realiza cuando 1. Es necesaria alta exactitud (incertidumbres bajas) 2. Se mejora la capacidad de pronóstico en la regresión. 3. No es adecuada la especificación de exactitud. Es cara, por lo tanto debe ser usada cuando sea necesaria. CALIBRACIÓN SIMPLE: Se realiza pruebas e informes de acuerdo con especificaciones cuando 1. Proporciona una certeza aceptable entre la razón prueba e incertidumbre (TUR).



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2. Las especificaciones de exactitud complacen al usuario finalmente. Es de menor costo y debe usarse siempre que sea posible. La calibración de un instrumento le permite al cliente evitar tomar decisiones de test falsas. 1. El cliente espera que los instrumentos cumplan las especificaciones de exactitud. 2. Los programas de calibración deben mantener a los instrumentos dentro de la tolerancia hasta que

se renueve la calibración. 3. Esa fracción de tolerancia antes de renovar al conjunto de los instrumentos está determinado por el

uso.

6. Trazabilidad

La trazabilidad es una cadena inviolable de comparación desde la medición realizada a un reconocimiento en patrones legales o nacionales.

RED DE TRAZABILIDAD en la Argentina está dada por la siguiente estructura:

SI. Lab internacionales

INTI. Lab.Nacionales

Laboratorios de calibración



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7. BIBLIOGRAFÍA

- Electrónica fundamentos y aplicaciones

Millman y Halkias Editorial Hispano Europea- Barcelona

- Instrumentación electrónica

A.J. Diefenderfer Editorial Mc Graw Hill

- Instrumentos de medida eléctrica

Charles M. Gilmore Serie Reverté

-Instrumentación eléctrica y sistemas de medida

B. A. Gregory Editorial Gustavo Gili S. A.

- Analog- Digital Conversion Handbook

15 instrumentos digitales 1

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