Universidad Nacional Experimental PolitcnicaAntonio Jos de SucreVice-rectorado Puerto Ordaz.

Instrumentos Digitales de CD y CAPara Mediciones Elctricas

Roberto Etcheverry - C.I. 12.053.365Marco Palma HernandezElectrometraSeccin N1

IntroduccinLos instrumentos digitales para mediciones elctricas son aquellos que utilizan tecnologa de microprocesadores para realizar la medicin en lugar de los mtodos mecnicos utilizados por los instrumentos analgicos.Esto se hizo posible con la llegada y abaratamiento de microprocesadores producidos en serie, lo que permite crear instrumentos con un mayor nivel de precisin y menor margen de error, al igual de tener ciertas caractersticas que eran imposibles en sistemas anteriores, tales como el uso de los datos en sistemas de computacin.En la actualidad los medidores digitales estn desplazando cada vez ms a los analgicos en casi todos los casos, excepto en algunos usos especficos.

Caractersticas Elctricas

Los instrumentos digitales se basan en principios similares a los componentes analgicos, pero con la diferencia que el galvanmetro que es utilizado en los medidores analgicos es reemplazado por componentes electrnicos. Para esto se utiliza un componente llamado el Conversor Analgico Digital (CAD).Un conversor (o convertidor) analgico-digital (CAD), (o tambin ADC del ingls "Analog-to-Digital Converter") es un dispositivo electrnico capaz de convertir una entrada analgica de voltaje en un valor binario, Se utiliza en equipos electrnicos como computadora, grabadores de sonido y de vdeo, y equipos de telecomunicaciones. La seal analgica, que vara de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a una velocidad fija, obtenindose as una seal digital a la salida del mismo.La medicin digital requiere una cuantificacin de los valores de medida, que en general se presentan en forma analgica. En consecuencia, un medidor digital cuenta la cantidad de valores discretos que representan al valor analgico, siendo la indicacin siempre insegura en + 1 unidad (error de cuantificacin). El error de cuantificacin se puede disminuir mediante una subdivisin correspondientemente fina y aumentar la exactitud de la medida, pero esta est limitada por la exactitud de los elementos de medida empleados y de sus componentes. En la cuantificacin se detectan y cuentan los valores instantneos de la magnitud a medir en intervalos de tiempo constante t. Cada valor de medida as determinado se indica y conserva hasta que aparece el siguiente.

Ampermetros y Voltmetros:

En trminos generales los ampermetros miden corriente elctrica mientras que los voltmetros miden variacin de tensin. En la prctica, sin embargo, todos los instrumentos de medicin digitales son voltmetros con diferentes componentes aadidos y microprocesadores que realizan los clculos necesarios para convertir la cada de tensin obtenida en las medidas que se requieren dependiendo de los componentes conectados internamente.Las ventajas del uso de los instrumentos digitales con respecto a los analgicos son muchas, la principal es la precisin. El uso de un galvanmetro de aguja para realizar la medicin le da cabida a la existencia de errores de medicin por la pericia y las habilidades visuales del operador. Un instrumento digital produce una medicin mostrada en una pantalla de cristal lquido que no da posibilidad de errores de apreciacin.Otra ventaja es que al tener los datos en forma digital es posible que sean utilizados y manipulados por computadoras, as como ser transmitidos por redes, almacenados, graficados, copiados, etc. Hoy en da es normal que en las industrias en lugar de los bancos de medidores que se utilizaban antes y que requeran supervisin constante, se usen sistemas computarizados en los que los datos relevantes se pueden visualizar de manera rpida en una pantalla o incluso ser monitoreados de manera automtica por las computadoras y en caso de anomalas se pueden disparar alarmas e incluso tomar medidas de manera automtica sin necesidad de intervencin humana.

Caractersticas elctricas:

El galvanmetro utilizado en los voltmetros y ampermetros analgicos es reemplazado en los digitales por un componente electrnico conocido como Conversor Analgico-Digital (CAD)Estos conversores poseen dos seales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertir una seal de entrada.El dispositivo establece una relacin entre su entrada (seal analgica) y su salida (digital) dependiendo de su resolucin. Esta resolucin se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor mximo que la entrada de informacin utiliza y la cantidad mxima de la salida en dgitos binarios. A manera de ejemplo, el convertidor anlogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analgica de entre 0 y 5 voltios y su resolucin sern respectivamente:Resolucin = valor analgico / (2^8)Resolucin = 5 V / 256Resolucin = 0.0195v o 19.5mv.Resolucion = LSBLo anterior quiere decir que por cada 19.5 milivoltios que aumente el nivel de tensin entre las entradas nomencladas como "Vref+" y "Vref-" que ofician de entrada al conversor, ste aumentar en una unidad su salida (siempre sumando en forma binaria bit a bit). Por ejemplo:Entrada - Salida0 V - 000000000.02 V - 000000010.04 V - 000000101 V - 00110011(5 V-LSB) 11111111De sta manera podemos saber la diferencia de tensin entre los terminales que a su vez estn conectados a los del voltmetro. De igual forma los ampermetros miden la corriente al medir la cada de tensin en una resistencia conocida y posteriormente aplicando la ley de ohm.

Efecto de Carga

A pesar de que los voltmetros y ampermetros estn diseados para medir sin afectar los circuitos elctricos, siempre existe un efecto al agregar cualquier componente a los mismos. ste efecto se conoce como Efecto de Carga. ste efecto es ms aparente entre mayor sea la impedancia en la que produce la cada de tensin con respecto a la resistencia interna del voltmetro.Esto se logra normalmente tomando medidas para minimizar el efecto en el circuito, como el uso de resistencias internas mayores en los voltmetros, pero esto hace que la medida sea menos exacta. Para contrarrestarlo se usan amplificadores de seal, que aunque tambin afectan el circuito interno, lo hacen mucho menos que al usar resistencias menores.Los voltmetros analgicos generalmente vienen con una medida llamada sensibilidad ohm por voltio, que indica la cantidad de impacto en el circuito que se mide. Si el instrumento no posee una medida de ohm por voltio mucho menor a la impedancia a la que se le est midiendo la cada de tensin, el margen de error tiende a ser muy grande.Los voltmetros digitales utilizan una medida distinta, llamada ohm de resistencia de entrada, ya que stos utilizan una sola resistencia, normalmente de 10 M, en lugar de la resistencia variable de los instrumentos analgicos. Al ser conocida la resistencia interna, el microprocesador interno del voltmetro digital es capaz de compensar la resistencia de entrada, disminuyendo an ms el margen de error.

Voltmetro de Comparacin Directa

Son los ms sencillos en su diseo, consisten en un potencial de referencia, derivados ya sea de bateras o de diodos zener, y un detector de cero. El diodo zener es un diodo semiconductor que genera un voltaje constante a travs de si mismo al pasar la corriente de manera inversa por encima de cierto mnimo, se prefiere a las bateras porque no vara su voltaje al perder la carga con el tiempo. El detector de cero tiende a ser un medidor de bobina mvil que se ajusta para que su lectura sea igual al de la seal. El voltaje de referencia se ajusta haciendo girar un potencimetro que acciona un medidor de revoluciones, el cual va engranado para que su medida sea igual al voltaje de la seal. Este tipo de instrumentos tiene una inexactitud de menos del 2% y da medidas de manera instantnea, pero en general son caros y ms complicados de mantener por la gran cantidad de partes mviles. Normalmente son usados en ambientes industriales donde el costo tiene una consideracin secundaria con respecto a la exactitud y la necesidad de medidas en tiempo real.

Voltmetro de Aproximaciones Sucesivas

Este tipo de voltmetro funciona al comparar el voltaje de entrada con una serie de voltajes derivados de un voltaje referencia pre-calibrados. En general son ms econmicos de producir que los de comparacin directa pero tienen mayor margen de error y toman ms tiempo en realizar la medida. Por ejemplo, si se quiere medir un voltaje de entrada de 5.3V. El instrumento puede iniciar comparndolo con un voltaje de 8 voltios, que es descartado por ser mayor al voltaje medido. El segundo intento podra ser con un voltaje de 4 voltios, el cual si se mantiene por ser inferior al voltaje de entrada. El tercer voltaje de referencia sera de 2 voltios, que se suma al anterior, dando como resultado 6 voltios, que se descarta por ser superior al voltaje de entrada. Se aplica otro voltaje de referencia de 1 voltio, que se suma a los 4 voltios que se haban mantenido anteriormente, lo que dara 5 voltios, que se mantiene de nuevo. El instrumento seguira probando con medidas de 0.8 V, 0.4 V, 0.2V y 0.1V y sumando los voltajes que se mantengan para lograr la medida final.

Multmetros Digitales

Los multmetros digitales son instrumentos de medicin que pueden actuar, dependiendo de sus ajustes, como voltmetro, ampermetro, hmetro, entre otros.

El circuito interno de los multmetros digitales puede bsicamente dividirse en dos secciones: una Analgica y otra Digital. La seccin Digital esta compuesta por el conversor Analgico a Digital (en algunos instrumentos esta conversin es hecha por medio de un circuito microprocesador) y una pantalla de dgitos, que puede ser de Led o de Cristal Liquido.La seccin Analgica esta compuesta por los divisores de tensin y corriente de entrada, el conversor de corriente alterna a continua, el conversor de resistencia a voltaje continuo, la tensin de referencia para comparacin, la fuente de alimentacin, el detector de pico y las llaves de seleccin de rango y funciones.Algunos instrumentos, slo presentan una llave de funcin ya que el dispositivo es controlado por un microprocesador y las escalas las selecciona automticamente el instrumento de acuerdo al valor de entrada del parmetro. Esta seleccin de escala es realizada por el detector de nivel. Esto son llamados instrumentos de Auto Rango.Para medicin de corriente (CC CA), la seal a medir se inyecta en los terminales COMMON (Comn) y mA. En serie con el terminal mA, se tiene un fusible de proteccin a fin de evitar que circule por el shunt una corriente mayor a la que l soporta. Este fusible puede, en algunos casos, ser extrado externamente al remover el terminal mA. En otros instrumentos, para acceder al fusible, es necesario remover la tapa del instrumento, la tapa del compartimiento de la batera,.Para medicin de Tensin (CC CA), Temperatura, Capacidad Frecuencia, la seal a medir se inyecta en los terminales COMMON (Comn) y V-OHM. Desde estos terminales, las seales se derivan a los escaladores y llaves de funciones.LLAVES DE RANGOS (Escaladores): Las llaves de cambio de rangos son elementos (Generalmente resistencias en serie y/ paralelo) que toman una muestra reducida de la seal a medir, a fin de poder procesar esa muestra dentro de los niveles de tensin que manejan los circuitos electrnicos. Estos llaves de rangos tambin dan el rango de la escala en uso en ese momento.En el caso de tensin se usa un divisor de tensin resistivo y en el caso de Corriente, se usan Shunts, que son resistencias en paralelo de muy bajo valor resistivo (normalmente un alambre calibrado). Se pueden encontrar valores de 0,1 , 1 , 10 y hasta 100 para producir una conversin de corriente en tensin adecuada segn la escala y de adecuada disipacin de potencia. Ellos estn organizados en una combinacin serie o paralelo segn el fabricante para lograr las escalas necesarias.Ellos se intercalan en el circuito cuya corriente se quiere medir, y al circular la corriente por ese shunt, por ley de Ohm, producen una tensin proporcional al valor de corriente circulante. Esta tensin es ingresada al conversor de A/D para el caso de medicin de corriente continua, al conversor de CA a CC en el caso de medicin de corriente alterna.LLAVES DE FUNCIONES: Las llaves de funciones, dirigen las seales sensadas hacia los distintos circuitos conversores segn corresponda para cada una de las aplicaciones. En el caso de seleccin de funcin CC, para medir Corriente o Tensin Continua, esta llave direcciona directamente la seal de salida desde la llave de rangos hacia entrada del Conversor A/D.En el caso de seleccin de funcin CA, para medir Corriente tensin Alterna, la llave direcciona la seal de salida desde llave de rangos hacia el conversor de CA a CC. CONVERSOR CA/CC: El conversor de corriente alterna a corriente continua, convierte la seal alterna aplicada a su entrada en una seal de CC compatible con la entrada del conversor Analgico a Digital (A/D). Este conversor CA/CC puede ser uno de valor medio o de valor eficaz.De acuerdo a la forma de hacer la conversin de corriente alterna en continua, las lecturas de los instrumentos sern distintas entre ellos para distintas seales alternas, cuando no son seales alternas.CONVERSOR DE RESISTENCIA/CONDUCTANCIA Para medir resistencia o su inversa (conductancia) el multmetro modifica su conexionado interno de modo que la operacin del conversor A/D se modifica un poco. Bsicamente el instrumento se constituye en un circuito serie alimentado por la batera interna por una fuente de referencia. Este circuito estar formado por la resistencia desconocida colocada en los terminales V-Ohm y COMMON, una resistencia de referencia y la fuente de referencia. La relacin de las dos resistencias (la de referencia y la desconocida) es igual a la relacin de cadas de tensin de las respectivas resistencias. Por lo tanto, como se conoce el valor de la resistencia de referencia, el valor de la resistencia desconocida puede ser calculada determinando la relacin de las cadas de tensin en ambas resistencias. Esta determinacin la hace el conversor Anlogo a Digital. En las mediciones de tensin normales, el conversor Anlogo a Digital compara una tensin interna de referencia con la tensin de entrada desconocida. De esta comparacin, l determina el valor de la tensin desconocida. En el caso de medicin de resistencia, el conversor Anlogo a Digital, usa como tensin de referencia a la cada de tensin sobre la resistencia de referencia interna, y la comparacin de las cadas las realiza midiendo los tiempos de subida y de bajada del integrador interno. Esto lo realiza el conversor A/D.MODULO DE MEDICION DE FRECUENCIA Algunos multmetros digitales tienen una funcin extra para medicin de frecuencia. Normalmente este tipo de mediciones son hechas en instrumentos controlados por un microcontrolador.En este caso, al seleccionar la funcin frecuencia, la salida de la llave de funciones es conectada a un comparador analgico. Este compara el valor instantneo de la seal de entrada con un valor de tensin de referencia. Si el valor de entrada es mayor al nivel de referencia, coloca la salida del comparador en un nivel alto (prximo al valor de la fuente de alimentacin).Si el valor de entrada es menor al nivel de referencia, coloca la salida del comparador en un nivel bajo (prximo al valor de la tierra elctrica). Cuando se le aplica una seal alterna, la salida del comparador cambiar de estado de acuerdo con los cambios de amplitud de la seal de entrada. Esto genera pulsos cuadrados van a una compuerta que se abre durante un tiempo dado por un reloj a cristal. Los pulsos que pasan por la compuerta son contados por el microprocesador.