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Introducción a los instrumentos digitales

1. Consideraciones generales

1.1 Introducción a instrumentos digitales

Un instrumento analógico está constituido esencialmente por un galvanómetro (elemento IPBM, hierro móvil, etc.) asociado a una red de resistencias que sirve de multiplicadoras y shunts para la medición de diferentes rangos de tensión y corrientes. Además, se dice que estos instrumentos son analógicos ya que la magnitud de entrada está medida de manera analógica (es decir, en forma continua) sin pasar por un proceso de conversión intermedio.

La principal característica de los instrumentos digitales es que transforman por medio de un conversor analógico digital (ADC, por sus siglas en inglés, Analog to Digital Converter) a la magnitud eléctrica analógica de entrada en un valor equivalente numérico/digital. Las técnicas utilizadas para efectuar esta conversión son variadas, pero el resultado es el mismo: la magnitud de entrada analógica es convertida a digital y procesada en forma digital, para ser finalmente mostrada en la forma de un número en un display en un panel frontal del instrumento, o de una señal de salida digital.

Señal analógicaValor digital

t t

Tmuestreo

Figura 1: Discretización de una señal analógica en una serie de valores digitales

El proceso para cumplir con este objetivo se puede dividir en cuatro bloques funcionales a efectos de dar una explicación elemental de su funcionamiento:

� Acondicionador � Conversor ADC � Lógica � Contador y display de salida

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Acondicionador ADC Lógica DisplayXin

Figura 2: Diagrama de bloques simplificado de un instrumento digital

La señal de entrada debe pasar primero a través de un acondicionador cuya misión es pre-ajustar la magnitud de entrada (tensión, corriente, etc.) a niveles de tensión continua que se encuentren dentro del rango de operación del conversor ADC. Así, el bloque acondicionador puede ser un atenuador, si lo que se va a medir es una tensión elevada, o bien puede ser un amplificador para los rangos de tensiones bajas.

Si la señal de entrada es una tensión o corriente AC (alterna), se utiliza una etapa de acondicionamiento adicional para convertir la señal alterna a su valor equivalente en DC (continua).

En todos los casos el acondicionador es el que se encarga de convertir siempre el parámetro desconocido (tensión, corriente, etc.) en una tensión continua que esté dentro del rango de operación del conversor analógico-digital ADC.

La etapa siguiente es la del conversor ADC. La función de éste es tomar la tensión DC pre-acondicionada por el acondicionador y convertirla en una señal digital. Como ya se ha señalado, los conversores ADC son dispositivos electrónicos que en general poseen un solo rango. Pueden llegar a administrar como señal máxima (para escala completa) de 1 a 10 V. Por esta razón el acondicionador de la señal de entrada debe atenuar las tensiones grandes y amplificar las pequeñas para darle al instrumento la selección de rangos adecuados.

Por ejemplo, si se aplica una señal de 250 VAC a un multímetro digital que posee un ADC que requiere de una entrada de 1 VDC , la señal de corriente alterna es atenuada en el rango de 1.000 VAC y se convierte a una tensión de corriente continua igual a 250 mV. En este caso, el primer bloque es un atenuador x1000 y un convertidor de corriente alterna. El nivel de 250 mV se digitaliza posteriormente en el segundo bloque. El punto decimal y las unidades se anuncian a partir de la información obtenida de los rangos del conversor para que la lectura final aparezca como 250 VAC.

Estos dos primeros bloques determinan las características básicas de un multímetro digital, tales como: número de dígitos, rango, sensibilidad, etc.

El tercer bloque denominado bloque de Lógica, encargado de ejecutar comandos con fin de manejar el flujo de información en el tiempo adecuado para asegurar que las funciones internas se lleven a cabo en el orden correcto. Este bloque actúa como el comunicador con el exterior, manejando el flujo de salida de información digital y aceptando instrucciones de programación de otros dispositivos.

Finalmente un display es el encargado de comunicar visualmente el resultado de la medición. Opcionalmente también puede existir una salida digital implementable en diferentes formas.

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Uno de los componentes más importantes en la etapa de acondicionamiento del instrumento digital es el amplificador operacional (AO), el cual puede ser definido básicamente como un cuadripolo activo que posibilita que el instrumento digital presente a su entrada un valor alto de impedancia de entrada ��� (idealmente infinito). Es importante señalar que la impedancia de entrada de los instrumentos digitales suele ser considerablemente más alta que la impedancia de entrada de instrumentos analógicos, determinadas estas últimas únicamente por elementos pasivos como resistencias e inductancias.

1.2 Especificaciones básicas de los multímetros digitales

La hoja de especificaciones entregada por cada fabricante es una buena fuente de información, pero debe ser cuidadosamente examinada para poder interpretar correctamente las cualidades de este tipo de instrumento. Los multímetros digitales pueden ser portátiles o de banco.

A continuación se detalla el significado de los especificaciones más comunes de los multímetros digitales:

Modo High/Low

Los multímetros digitales del tipo laboratorio tienen como óhmetro un selector HIGH-LOW, que selecciona la tensión aplicada por el generador de corriente interno en los bornes del elemento a medir. Para medir resistencias normales se utiliza los bornes HIGH-COM, correspondiente a una tensión de salida de aproximadamente 2 V. Para mediciones sobre semiconductores la tecla o bornes LOW-COM corresponde a una tensión de salida de 180 mV para no destruir el elemento bajo prueba.

Número de dígitos

En general, se define al número de dígitos como el número máximo de nueves que es capaz de mostrar el visor (esto indica el número de dígitos completos). Muchos multímetros disponen de cierta capacidad de sobre-rango y esto agrega un dígito extra que se conoce como “dígito de sobre-rango”, el cual no es un dígito completo ya que solamente puede tomar el valor 0 ó 1.

Supóngase un “display” de un multímetro digital cuya lectura máxima es de 1999, este instrumento tiene solo tres dígitos completos más ½ usado como sobre-rango: el instrumento se define de 3 ½ dígitos. Este dígito de sobre-rango permite al usuario tomar lecturas arriba del valor de plena escala sin alterar las características de sensibilidad y exactitud. Por ejemplo, si en un multímetro de tres dígitos la señal cambia de 9.99 V a 10.01 V, el display indicará 10.0 V. Como puede observarse en este proceso de medida se pierde la información que corresponde a 0,01 V. El mismo multímetro con un dígito de sobre-rango es capaz de medir el valor 10,01 sin tener que cambiar de rango y sin pérdida de sensibilidad. El sobre-rango se expresa generalmente en valores porcentuales. Una lectura de 1999 equivale a 3 dígitos con 100% de sobre-rango.

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Exactitud

Dada la complejidad de los multímetros digitales es difícil determinar fuentes de error que introducen inexactitud, por lo que los fabricantes generalmente especifican la exactitud total. Para que las especificaciones de exactitud sean más concretas deben incluirse los datos correspondientes a temperatura, humedad, variaciones de línea y variaciones estimadas en el tiempo. Estas condiciones dan el comportamiento real del instrumento en condiciones de operación.

Por ejemplo, el fabricante puede especificar sus exactitudes para un rango de operación de temperaturas ambiente, tal como �25 � 5�°. Por otro lado, existen instrumentos digitales reservados para uso en laboratorio cuya exactitud se garantiza sólo dentro de entornos de variación de temperatura de 1ºC.

En general, la exactitud publicada por el fabricante debe incluir el tiempo durante el cual es válida, esto puede ser 30, 90 días, 6 meses y hasta un año. Al terminar este período el instrumento requiere de un proceso de calibración siguiendo las especificaciones dadas en el manual de mantenimiento del fabricante.

Algunas especificaciones de exactitud de estos instrumentos pueden ser explicitadas como sigue:

� �0,01%��������� � 0,01��������

� �0,01%��������� � 1������

Nota: cuando en las especificaciones se refiere a un dígito, se entiende que es la última cifra significativa que muestra el display, de acuerdo al rango configurado. Por ejemplo, si un display de 4 ½ dígitos (es decir, que como máximo puede indicar 19999) se encuentra configurado en el rango de 20V (es decir, como máximo indicará la tensión 19.999 V), entonces el “dígito” al que hace mención las especificaciones refieren a 0.001 V, es decir, 1 mV.

Coeficiente de temperatura

El coeficiente de temperatura es la cantidad de cambio en exactitud por grado de temperatura cuando el instrumento sale fuera del rango original para lo cual se ha especificado la exactitud básica. Los errores calculados por medio del coeficiente de temperatura serán aditivos en la exactitud básica. Por ejemplo, el fabricante puede especificar que por cada grado de desviación con respecto a la temperatura de referencia, el error aumentará 0.0004% de la lectura.

Rapidez

Suele especificarse:

� El tiempo que requiere para responder a un cambio en la señal de entrada. � La cantidad de lecturas capaz de realizar en un segundo.

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Resolución

N° adimensional que expresa la mínima variación que puede detectar el instrumento.

Por ejemplo, un instrumento 5 dígitos (lectura máxima 99999) posee una resolución:

Sensibilidad

Es la que corresponde a cada uno de los alcances y está dado por el dígito menor significativo.

Por ejemplo, para un rango de 100 mV y 5 dígitos, la sensibilidad será de 0,001, es decir, de 1μV.

1.3 Aplicaciones de los instrumentos digitales

Gracias a la alta velocidad del muestreo del ADC y procesamiento de las señales y de la sofisticación de la lógica interna, es posible implementar instrumentos digitales capaces de medir todas las magnitudes eléctricas medibles con instrumentos analógicos, incluyendo otras (verdadero valor eficaz en altas frecuencias, tasa de distorsión armónica, etc.) que no son implementables con instrumentos analógicos tradicionales dada su evidente limitación tecnológica (el rango de frecuencias en los que puede operar un instrumento digital, manteniendo su exactitud suele ser mucho más amplio que el de los instrumentos digitales)

1.4 Comparación de instrumentos digitales vs. instrumentos analógicos

Los instrumentos digitales presentan ventajas y desventajas entre las que se pueden citar:

Ventajas

� Tienen alta resolución instrumental, alcanzando en algunos casos más de 9 cifras significativas. � Se minimiza el error de lectura � Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas. � Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturas por segundo. � Multifuncionalidad: en muchos casos un único instrumento es capaz de medir un importante número de parámetros eléctricos, sin aumentar drásticamente la cantidad de hardware requerido respecto a instrumentos que única funcionalidad. � Mayor robustez por no incorporar parte móviles (como el cuadro móvil de un instrumento IPBM) susceptibles a golpes y vibraciones. � Presentan alta impedancia de entrada (modifican poco el circuito al que se conectan, es decir, cometen un bajo error sistemático de inserción).

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� Pueden poseer conmutación automática de escala (función comúnmente denominada auto-rango) � En algunos casos pueden ser re-programados por software para la ejecución rutinas de medición específicas y personalizadas. � Pueden almacenar en registros las mediciones y datos para su posterior análisis fuera de línea. � En casos de instrumentos a instalar en forma permanente, pueden entregar información digital en tiempo real vía uno o más puertos de comunicaciones a otros sistemas, para monitoreo y análisis en línea. Por ejemplo, esto permite la implementación de sistemas SCADA (sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos)

Figura 3: Paneles frontales típicos de instrumentos digitales. a) Multímetro digital portable. b) Unidad de medición fija para ser conectado a un tablero de mediciones.

Desventajas

� En algunos casos no es posible observar variaciones cuya duración es del orden de la tasa de actualización de la salida en display.

� Mantenimiento complejo. � En todos los casos requieren de fuente de alimentación externas o baterías.

(a) (b)

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2. Utilización de un multímetro digital

A modo de introducción, se muestran las principales funciones y partes típicas de un multímetro digital típico:

Figura 4: Panel frontal de un multímetro típico

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3. Referencias

[1] J. A. Suárez, de Medidas Eléctricas, Número ISBN 950-43-9807-3, 2014.

[2] A. Ferrero, J. Murphy, Bartoletti, Cipriano, Luca Podesta y G. Sacerdoti, de Electrical Measurements, Signal Processing and Displays, CRC Press, 2004.