Mod Instrumentacion

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

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INSTRUMENTACION Y MEDICIONESUNIDAD 1 INSTRUMENTACIÓN Y MEDICIONES ANÁLOGICAS

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CAPÍTULO 1 LA MEDICIÓN DE MAGNITUDES FÍSICAS

LECCIÓN 1 PATRONES Y MEDIDAS

La necesidad de medir es evidente en la mayoría de las actividades técnicas ocientíficas. Sin embargo, no interesa sólo contar con medidas sino tambiénsaber si dichas medidas son válidas. Para ello debemos recordar la definiciónde medición como el "proceso por el cual se asignan números o símbolos aatributos de entidades del mundo real de tal forma que los describa de acuerdocon reglas claramente definidas"1. Por lo cual se debe concluir que todamedición debe asegurar una adecuada representación del atributo real medidomediante los símbolos o números asignados.

A nivel científico para poder realizar una representación adecuada de unatributo real se desarrollan normas y estándares internacionales de medición,un ejemplo de ello es el sistema internacional de unidades (SI), para lasmagnitudes físicas.

El SI se estableció en Francia con el fin de solventar los dos grandesinconvenientes que presentaban las mediciones:

1. Unidades con el mismo nombre variaban de una provincia a otra

2. Las subdivisiones de las diferentes medidas no eran decimales, lo cualrepresentaba grandes complicaciones para el cálculo.

Se trataba de crear un sistema simple y único de medidas que pudiesereproducirse con exactitud en cualquier momento y en cualquier lugar, conmedios disponibles para cualquier persona.

En 1795 se instituyó en Francia el Sistema Métrico Decimal. En España fuedeclarado obligatorio en 1849.

El Sistema Métrico se basa en la unidad "el metro" con múltiplos y submúltiplosdecimales. Del metro se deriva el metro cuadrado, el metro cúbico, y elkilogramo que era la masa de un decímetro cúbico de agua.

1 FENTON, N. & S. L. PFLEEGER (1997), SOFTWARE METRICS: A RIGOROUS AND PRACTICALAPPROACH, SEGUNDA EDICIÓN, INTERNATIONAL THOMSON COMPUTER PRESS, PÁG. 5


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Actualmente las unidades del SI son la referencia internacional de lasindicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a travésde una cadena ininterrumpida de patrones de calibración.

PATRONES DE MEDIDA

Un patrón de medida es una medida materializada, un instrumento de medida,un material de referencia o un sistema de medida concebido para definir,realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más valores de unamagnitud, de modo que sirvan de referencia.

No existe un listado internacional que comprenda todos los patrones de medidaaunque, en el campo de la metrología dimensional, sí existe una clasificaciónampliamente difundida de patrones e instrumentos, denominada DimVIM,creada por el Grupo de Trabajo sobre Metrología Dimensional (WGDM) delComité Consultivo de Longitud (CCL).

En cuanto a patrones de unidad de medida y de acuerdo al SI tenemos lasunidades de medidas básicas en la tabla 1.

UNIDADES BÁSICAS

Magnitud Nombre Símbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Intensidad de corriente eléctrica ampere A

Temperatura termodinámica kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad luminosa candela cd

FUENTE: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htmTABLA 1. UNIDADES BÁSICAS


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El metro (m) el cual se define como la longitud del trayecto recorrido por la luzen el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 s. El metro serealiza a nivel primario mediante la longitud de onda de un láser estabilizado dehelio-neón. En niveles inferiores se utilizan patrones materializados, como losbloques patrón, asegurándose la trazabilidad mediante el empleo deinterferometría óptica para determinar la longitud de los bloques patrón conreferencia a la longitud de onda de la luz láser mencionada anteriormente.

El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.

El segundo (s) el cual es igual a 9.192.631.770 períodos de radiacióncorrespondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estadofundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs), medidos a 0 K.

El ampere (A) es la intensidad de una corriente constante que manteniéndoseen dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de seccióncircular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en elvacío, produciría una fuerza igual a 2·10-7 newton por metro de longitud

El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 dela temperatura termodinámica del punto triple del agua.

El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantasentidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12

La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuenteque emite una radiación monocromática de frecuencia 540·1012 hertz y cuyaintensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.

UNIDADES DERIVADAS ELÉCTRICAS

Las medidas eléctricas mas utilizadas en el área de la instrumentación son lasdescritas en la tabla 2.

Un hertz (Hz) es la frecuencia de un fenómeno periódico cuyo periodo es 1segundo.

Un watt (W) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1joule por segundo.

Un coulomb (C) es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo poruna corriente de intensidad 1 ampere


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Un volt (V) es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntosde un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1ampere cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt

Magnitud Nombre Símbolo Expresión enotrasunidades SI

Expresión enunidades SIbásicas

Frecuencia hertz Hz s-1

Potencia watt W J·s-1 m2·kg·s-3

Cantidad deelectricidadcarga eléctrica

coulomb C s·A

Potencial eléctricofuerza electromotriz

volt V W·A-1 m2·kg·s-3·A-1

Resistencia eléctrica ohm W V·A-1 m2·kg·s-3·A-2

Capacidad eléctrica farad F C·V-1 m-2·kg-1·s4·A2

Flujo magnético weber Wb V·s m2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética tesla T Wb·m-2 kg·s-2·A-1

Inductancia henry H Wb·A-1 m2·kg s-2·A-2

FUENTE: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htmTABLA 2. UNIDADES ELÉCTRICAS

Un ohm (W) es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de unconductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entreestos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.

Un farad (F) es la capacidad de un condensador eléctrico que entre susarmaduras aparece una diferencia de potencial eléctrico de 1 volt, cuando estácargado con una cantidad de electricidad igual a 1 coulomb.

Un weber (Wb) es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una solaespira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt, si se anula dichoflujo en un segundo por decaimiento uniforme.

Una tesla (T) es la inducción magnética uniforme que, repartida normalmentesobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficieun flujo magnético total de 1 weber


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Un henry o henrio (H) es la inductancia eléctrica de un circuito cerrado en elque se produce una fuerza electromotriz de 1 volt, cuando la corriente eléctricaque recorre el circuito varía uniformemente a razón de un ampere por segundo.

CLASIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE MEDICIÓN

Los patrones de medición se clasifican en:

Patrones Internacionales: los patrones internacionales están definidospor acuerdos internacionales como el sistema MKSA en donde lospatrones se encuentran en la oficina internacional de pesas y medidas yno están disponibles como instrumentos de comparación.

Patrones Primarios: son los que representan las unidadesfundamentales y algunas unidades mecánicas y eléctricas derivadas, secalibran independientemente por medio de mediciones absolutas porcada uno de los laboratorios nacionales y una de sus funciones escalibrar y verificar los patrones secundarios.

Patrones Secundarios: son patrones básicos de referencia que seutilizan en los laboratorios industriales y la responsabilidad demantenimiento, calibración y certificación con respecto al primariodepende del laboratorio o empresa.

Patrones de Trabajo: son las herramientas principales del laboratoriode medición las cuales son utilizadas para verificar y calibrar la exactituddel comportamiento de las mediciones efectuadas en las aplicacionesindustriales.

En la figura 1 se muestra la escala de patrones desde el internacional hastael de trabajo.


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FUENTE: www.cem.es/cem/es_es/metrologia/sme.pdfFIGURA 1. CLASIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE MEDICIÓN

LA TRAZABILIDAD EN LA MEDICIÓN

La trazabilidad es un conjunto de medidas, acciones y procedimientos quepermiten registrar e identificar cada producto desde su origen hasta su destinofinal.

Consiste en la capacidad para reconstruir la historia, recorrido o aplicación deun determinado producto, identificando:

Origen de sus componentes.


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Historia de los procesos aplicados al producto.

Distribución y localización después de su entrega.

Al contar con esta información es posible entregar productos definidos amercados específicos, con la garantía de conocer con certeza el origen y lahistoria del mismo. El concepto de trazabilidad está asociado, sin duda, aprocesos productivos modernos y productos de mayor calidad y valor para elcliente final. Hoy en día existe la tecnología que permite rastrear con precisiónel camino que recorre un producto en la cadena productiva y decomercialización.

LA METROLOGÍA

La Metrología es, simplemente, la ciencia y arte de medir "bien". Como lasmediciones son importantes en prácticamente todos los procesos productivos,su relevancia para la Calidad es evidente.

Medir "bien" no es sólo medir con cuidado, o utilizando el procedimiento y losinstrumentos adecuados. Además de lo anterior, se trata de que lasunidades de medida sean equivalentes, es decir, que cuando yo midopor ejemplo 3,6 cm,"mis" centímetros sean los mismos que los de un francés,coreano o eskimal.

Esto se asegura cuando cada país tiene una infraestructura metrológica,compatible y ligada con las infraestructuras metrológicas de otros países,consistente en la disponibilidad de laboratorios donde se pueda calibrar losinstrumentos de medición. La compatibilidad entre países se aseguramediante intercomparaciones periódicas, en las cuales un determinadopatrón de medida es medido sucesivamente por los diferentes laboratorios.

LA CALIBRACIÓN

Es simplemente el procedimiento de comparación entre lo que indica uninstrumento y lo que "debiera indicar" de acuerdo a un patrón de referenciacon valor conocido, Por ejemplo:

Valor de referencia = 1,08 mm, Valor indicado = 1,09 mm Dependiendo delinstrumento, a veces la calibración incluye un preajuste, por ejemplo, del valorcero.

Los resultados de la calibración son informados en un documento llamadoCertificado de Calibración. Hay dos formas de indicar los resultados:- Como la corrección a aplicar, obtenida como Valor de referencia - Valorindicado. Para el ejemplo anterior la corrección es -0,01 mm. - Como el error


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del instrumento: Valor indicado - Valor de referencia. Para el ejemplo anterior,el error es 0,01 mm.El laboratorio puede informar los resultados de cualquiera de las dos maneras,siempre que al usuario le quede claro cuál de los dos términos es el informado.A veces, la corrección es más conveniente pues, cuando el instrumento está enservicio, la corrección en el punto calibrado debe sumarse algebraicamente alvalor leído (en vez de restar) para obtener el valor correcto.

PROCEDIMIENTOS DE REFERENCIA

La verificación de la trazabilidad de los resultados de un método analítico selleva a cabo mediante la comparación con una referencia. Desde un punto devista metrológico, la mejor referencia posible la constituye los métodosdefinitivos o absolutos. [RIU, 2001] Sin embargo, el hecho de que para serconsiderados como tales deban ser aplicados en rigurosas condiciones degarantías de calidad, junto con su reducido ámbito de aplicación, hace que losmétodos definitivos sean una referencia poco utilizada para verificar latrazabilidad de los resultados analíticos. Desde un punto de vista práctico, lamejor referencia posible la constituyen los materiales de referencia certificados(MRC), en inglés CRM (certified reference materials).

Antes de entrar en los materiales de referencia certificados, primero tenemosque definir qué es un material de referencia (MR). Un material de referencia,según la guía ISO 30 [ISO, 1992], es un “material o sustancia que tiene una ovarias de sus propiedades suficientemente bien establecidas para calibrar unaparato o instrumento, validar un método analítico, o asignar valores a unmaterial o sistema”. Un material de referencia certificado [ISO, 1992], es un“material de referencia que tiene certificados uno o varios de sus valores deuna o más de sus propiedades por procedimientos técnicamente válidosllevados a cabo por un organismo competente’. La principal diferencia entre unMR y un MRC es el certificado asociado al MRC emitido por un organismocompetente. Veremos que no se trata ‘únicamente’ de un certificado, sino queeste certificado garantiza que un MRC sea, desde un punto de vista práctico, lamejor referencia posible en la verificación de la trazabilidad de un métodoanalítico.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE REFERENCIA CERTIFICADOS

Para que un cierto material pueda ser considerado como un MRC, tiene quecumplir una serie de propiedades. Las más importantes son:


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- Trazabilidad. El MRC debe ser trazable a patrones de referencia nacionaleso internacionales. Esto debe quedar perfectamente reflejado en el certificadoque aporte el organismo productor.

- Homogeneidad. Éste es un requisito indispensable, y significa que un MRCha de presentar el mismo valor de la propiedad certificada dentro de una mismaunidad y entre todas las unidades del MRC.

- Estabilidad. El material debe ser estable durante las condiciones de envío, yel usuario debe conocer durante cuánto tiempo permanece estable el MRCdesde su recepción y desde que se abre el recipiente [ISO, 2000a].

- Similitud con las muestras reales. El MRC ha de ser lo más parecidoposible, tanto en la composición de la matriz como en el valor de la propiedad adeterminar, a las muestras reales que serán posteriormente analizadas connuestro método analítico.

- Incertidumbre. Los valores certificados de la propiedad deseada en el MRCdeben ir acompañados por sus valores de incertidumbre. El nivel deincertidumbre asociado también informa de la calidad de un MRC en concreto.Es importante que el usuario verifique que la incertidumbre del MRC seaadecuada a sus necesidades.En la Figura 1 aparecen como ejemplo los valores certificados, junto con laincertidumbre asociada, de diversos aminoácidos en el MRC 2387 del NIST,correspondiente a mantequilla de cacahuete.

FUENTE: www.quimica.urv.es/quimio/general/crms.pdfFIGURA 2. VALORES CERTIFICADOS DE DIVERSOS AMINOÁCIDOS EN EL MRC

2387 DEL NIST


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LECCIÓN 2 METROLOGÍA EN COLOMBIA

En Colombia la metrología esta supervisada por la Superintendencia DeIndustria Y Comercio. La Superintendencia de Industria y Comercio es unaentidad de carácter nacional adscrita al Ministerio de Comercio Industrial yTurismo y tiene entre sus funciones la de acreditar y supervisar a losorganismos evaluadores de la conformidad – OEC (organismos de certificación,inspección, laboratorios de ensayo y calibración), que hacen parte del SistemaNacional de Normalización, Certificación y Metrología, de acuerdo con lasfacultades conferidas en el numeral 16 del artículo 2° y 5° del artículo 17 delDecreto 2153 de 1992 y el artículo 17 literal a) del Decreto 2269 de 1993.

La actividad de acreditación en la Superintendencia de Industria y Comercio larealiza la Delegatura de Protección al Consumidor a través de la División deNormas Técnicas de acuerdo a las funciones establecidas en la Resolución3483 de 2003.Algunas de las funciones de la Superintendencia de Industria y Comercio son:

Vigilar y propender por el cumplimiento de todas las disposiciones quedicte el Consejo Nacional de Normas y Calidades, relativas a NormasTécnicas y Control de Calidad, cuyo control le haya sido asignado a laSuperintendencia de Industria y Comercio;

Coordinar con la Oficina de Comunicaciones la divulgación de lasnormas técnicas que dicte el Consejo Nacional de Normas y Calidades,cuyo control y vigilancia haya sido asignado a la Superintendencia;

Elaborar los proyectos de resoluciones mediante los cuales se impongansanciones por violación a las normas en las materias de su competencia;

Atender las consultas que se le formulen relativas a las áreas de sucompetencia;

Adoptar o reconocer el uso del sello oficial de calidad o marca nacionalde conformidad con normas técnicas, de acuerdo con las disposicionesque sobre el particular se expidan;

Acreditar la existencia y confiabilidad del control de calidad de losproductos sometidos a normas técnicas colombianas oficiales y oficialesobligatorias;


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LABORATORIO DE CORRIENTE CONTINÚA Y ALTERNA

El laboratorio maneja cinco (5) magnitudes: voltaje continuo, voltaje alterno,corriente continua, corriente alterna y resistencia.

El laboratorio tiene tres (3) grupos de cuatro celdas de voltaje y un último grupode cuatro (4) Zenners (Estado sólido) que mantienen de forma muy estable elvalor de 1,018 V y 10 V (este último valor solo para los zenners).

La trazabilidad se asegura en el exterior mediante la calibración de uno de losZenners e internamente por método de redundancia se comparan los demásjuegos de celdas y se realiza el tratamiento de los datos por el método demínimos cuadrados.

Con la salida de 10 V que entregan los Zenners se calibran el multicalibrador5720, para que este a su vez permita realizar las calibraciones tanto internascomo externas en voltaje y corriente continúa. A su vez con las resistenciasque posee el laboratorio (una de 1 Ω y otra de 10 kΩ) se da trazabilidad almulticalibrador 5720 en la magnitud “Resistencia”.

Los servicios del laboratorio requieren generar corriente y voltaje(multicalibrador 5720) y medir estas mismas magnitudes (Multímetro 8508/A),estos dos equipos son la columna vertebral de la trazabilidad y de los serviciosdel laboratorio.

FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpFIGURA 3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA MEDICIÓN DE CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA

LABORATORIO DE POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA

El laboratorio presta servicios de calibración a: patrones de energía, equiposprobadores de medidores de energía, vatímetros, medidores de ángulo,cosenofímetros y realiza pruebas de aprobación de modelo a medidores clase2 según normas NTC 5226 y NTC 2288.


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FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpFIGURA 4. EQUIPO DE MEDICIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA

El laboratorio cuenta con tres (3) equipos patrón: un comparador ZERA COM303 de potencia y energía con límites de error de 0,01 %; un patrón ZERA TPZ303 con límites de error 0,02 % para factor de potencia uno (1,0) y 0,04 % parafactor de potencia 0,5 inductivo o capacitivo y un equipo probador demedidores de energía ZERA ED 6726 utilizada como fuente y patrón para lacalibración de vatímetros, medidores de ángulo y las pruebas de aprobación demodelo, en la figura 4 se puede observar un instrumento para la medición delfactor de potencia.

La trazabilidad se asegura en el exterior mediante la calibración delcomparador COM 303 en AC y la verificación intermedia a nivel interno de subase de tiempo y de los zenners del equipo en los laboratorios de tiempo yfrecuencia y corriente continua y alterna respectivamente.

El laboratorio ofrece la calibración de los equipos probadores de medidores deenergía "en sitio" a solicitud del usuario, desplazando para ello, los equipos y elpersonal necesarios para realizar de forma competente la calibración de estetipo de equipos.

LABORATORIOS DE TIEMPO Y FRECUENCIA

El laboratorio maneja dos (2) magnitudes: el tiempo y la frecuencia con lamagnitud eléctrica de voltaje alterno.

El laboratorio tiene un resonador atómico de rubidio, un receptor GPS (SistemaGlobal de Posicionamiento), un oscilador de cuarzo con cámara climatizada, uncontador de frecuencia y un generador de frecuencia con los cuales alcanza unrango de 1,04 GHz en generación y medición.


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La trazabilidad se asegura con la recepción del UTC (Tiempo UniversalCoordinado) por medio del receptor GPS, con la cual se realizan medicionesdiarias de fase y así determinar la desviación y estabilidad de los resonadoresinternos respecto al valor de tiempo internacional.

Según el decreto 2153 de 1992, la Superintendencia de Industria y comerciotiene la responsabilidad de mantener, coordinar y divulgar la hora legal de laRepública de Colombia. Esta labor la realiza gracias al mantenimiento de lospatrones expuestos y a sus medios de difusión actuales, que son emisión víaInternet en su página http://horalegal.sic.gov.co y por medio de la Universidadnacional en su emisora radial UN radio 98.5 FM.

Con la salida de un pulso por segundo del GPS, se calibran tanto el osciladoratómico de rubidio como el oscilador de cuarzo. El oscilador atómico de rubidiose aplica como base de tiempo al contador y al generador para que funcionencon la exactitud del oscilador, para que este a su vez permita realizar lascalibraciones tanto internas como externas en Tiempo y Frecuencia.

Los servicios del laboratorio requieren generar Frecuencia (Generador SMS-2)ymedir esta misma magnitud (Contador HP5345A), estos dos equipos son lacolumna vertebral de la trazabilidad y de los servicios del laboratorio.

Algunos de los equipos utilizados se muestran en la figura 5.

FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpFIGURA 5. EQUIPOS PARA MEDICIÓN DEL TIEMPO EN COLOMBIA

LABORATORIO DE TRANSFORMADORES

En el área de transformadores se encuentran equipos especializados para lamedición de características propias de los transformadores tales como lainductancia mutua.


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TABLAS Y SERVICIOS DE CALIBRACIÓN EN LOS LABORATORIOS DEELECTRICIDAD DE LA SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA YCOMERCIO.

En las tablas 3, 4, 5 y 6 están representados los servicios que prestan loslaboratorios y los parámetros de calibración utilizados para tal fin.

FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpTABLA 3. LABORATORIO DE CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA

FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpTABLA 4. LABORATORIO DE TRANSFORMADORES


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FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpTABLA 5. LABORATORIO DE TIEMPO Y FRECUENCIA

FUENTE: http://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.phpTABLA 6. LABORATORIO DE POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA


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SISTEMAS DE CALIDAD EN LABORATORIOS DE CALIBRACIÓNBASADOS EN LA NORMA NTC-ISO-IEC-17025 (ISO/IEC 17025 1999)

Un laboratorio de metrología debe tener los documentos pertinentes pararealizar calibraciones de instrumentos de medida, lo anterior con el fin decumplir con los numerales: 5.4 Métodos de ensayo y calibración y validación demétodos y 5.10 Reporte de resultados, establecidos en la norma técnica NTC-ISO-IEC 17025, “requisitos generales de competencia de laboratorios decalibración”. Lo anterior se cumple, mediante el empleo de los siguientesdocumentos: procedimientos, instructivos de trabajo, documentos técnicos yformatos.

ASPECTOS FUNDAMENTALES PARA LA CALIBRACIÓN DEINSTRUMENTOS DE MEDIDA CON BASE EN LA NORMA NTC-ISOIEC-17025

Requisitos obligatorios para todos los laboratorios.

Estos requisitos aplican en cualquier tipo de laboratorios, independientementedel tipo de servicio (ensayo/calibración), del nivel organizacional(independientes o parte de otra organización), tamaño (micro, pequeña,mediana o grande), y origen de recursos (públicos o privados). No hayexclusiones para estos requisitos, los cuales deben ser cubiertos por todos loslaboratorios. Ejemplos de estos requisitos:

· Contar con una política de calidad;· Definir los objetivos de Calidad;· Procedimientos para el control de documentos.

La documentación de los laboratorios se define de acuerdo a la pirámide dedocumentación de la norma ISO 10013, en la figura 6 se muestra la pirámide.

Manual de Calidad Norma ISO 17025

Un manual de calidad reúne definiciones y características de procedimientosen los laboratorios de calibración, algunos de los ítems que deben tener losmanuales de calidad son los siguientes:

General Referencias Condiciones y Definiciones Requerimientos de Gestión


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Organización ¡Error! Marcador no definido. Sistema de Gestión Control de Documentos Revisión de Pedidos, Licitaciones y Contratos Sub-Contratación de Ensayos y Calibraciones Atención al Cliente Quejas Control de Trabajo de Ensayo y/o Calibración No Conforme Mejoras Acción Correctiva Acción Preventiva Control de Registros Auditorias Internas Revisiones de Gestión Requerimientos Técnicos General Personal Instalaciones y Condiciones Ambientales Métodos de Ensayo y Calibración y Método de Validación Equipos Correlación de Medidas Muestras Manejo y Transporte de Artículos de Ensayo y/o Calibración Acreditación de la Calidad de los Resultados de Ensayo y Calibración Informe de Resultados

FUENTE: NORMA IS0-10013 LA DOCUMENTACIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE LA CALIDADFIGURA 6. PIRAMIDE DE DOCUMENTOS ISO 10013


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LECCIÓN 3 CARACTERISTICAS ESTATICAS DE LOS SISTEMAS DEMEDICIÓN

El comportamiento de de un instrumento de medida, en general, se puededefinir mediante la función de transferencia, que indica tanto elcomportamiento en régimen estático como dinámico. El primero corresponde ala relación entre la entrada y la salida cuando la entrada es constante o cuandoha transcurrido un tiempo suficiente para que la salida haya alcanzado el valorfinal o régimen permanente. El segundo indica la evolución del sistema hastaque la salida alcanza el valor final ante una variación en la entrada.

Una función de transferencia que recogiese con rigurosidad amboscomportamientos resultaría tremendamente compleja por lo que, en la práctica,suelen estudiarse por separado mediante una serie de parámetros. En estepunto se estudiarán las principales características estáticas.

Estamos suponiendo que la variable a medir no se ve afectada por el sistemade medida. Esto no siempre es así, por ejemplo si medimos la temperatura deun dispositivo mediante un método que afecte a dicha temperatura, estamoscometiendo un error en la medida. Por lo tanto además de las característicasestáticas y dinámicas habrá que considerar el efecto de carga que el métodode medida introduce.

La curva de calibración de un sistema de medida en general es la línea queune los puntos obtenidos aplicando sucesivos valores de la magnitud deentrada e ir anotando los respectivos valores de salida. Los valores de entradase determinan con un sistema de medida de calidad superior al que se estácalibrando.

La sensibilidad (sensitivity) es la pendiente de la curva de calibración. Interesaque la sensibilidad sea alta y, si es posible, constante. Si esta es una recta lasensibilidad es constante y se dice que es el sistema o sensor es lineal.

Lo importante no es tanto el que sea lineal (ya que se de no serlo se podríalinealizar) sino que la medida sea repetible, es decir, que a la misma entrada lecorresponda siempre la misma salida. En el ejemplo de la figura 7 se tiene unarespuesta lineal para valores de la variable de entrada menores que X0. Paravalores mayores que X0, la curva de calibración se hace menos sensible hastaque alcanza un valor límite para la señal de salida. Este comportamiento seconoce como saturación, por lo que no sería adecuado su empleo para medirvalores mayores que su valor de saturación. Es normal que los puntos no esténlocalizados exactamente sobre la línea, por el contrario, se localizarán acualquier lado de ella. La magnitud de las excursiones de los puntos a la línea


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dibujada dependerá de la magnitud de los errores aleatorios de la mediciónque están asociados con los datos.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 7. CURVA DE CALIBRACIÓN

Para definir la curva de calibración adecuadamente se necesita como mínimoindicar su forma y sus límites. Estos últimos se especifican con algunos de lossiguientes parámetros:

Campo o margen de medida (range): es el conjunto de valores comprendidosentre los límites superior e inferior entre los cuales de puede efectuar lamedida.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 8. MARGEN DE MEDIDA Y ALCANCE


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Alcance o fondo de escala (span, input full scale): es la diferencia entre losvalores máximo y mínimo de la variable que se pueden medir de forma fiable.No confundir este término con el límite superior de medida, ya que solocoinciden si el límite inferior es cero. También se conoce como margendinámico, aunque, empleado en este contexto puede resultar algo confuso yaque no describe una característica dinámica.

Salida a fondo de escala (output full scale): es la diferencia entre las salidaspara los extremos del campo de medida.

Precisión (precisión): es el grado de concordancia entre los resultados.También se suele encontrar con el nombre de fidelidad. Una indicación de laprecisión de una medida es mediante el número de cifras significativas conlas que se expresa un resultado. Por ejemplo si el valor de una tensión es de5,0 V, el número de cifras significativo es dos. En el caso de un instrumentodigital se habla de número de dígitos significativos. En los cálculos hay quetener cuidado de no expresar el resultado con más cifras significativas que lasde los números empleados en dichos cálculos.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 9. PRECISIÓN Y EXACTITUD

Exactitud (accuracy) es el grado de concordancia entre el valor exacto (“real”,“verdadero”) de la entrada y el valor medido. Se suele expresar como unporcentaje del fondo de escala. La exactitud nos está indicando el máximo errorque puede existir en la medición, por lo que en realidad debería hablarse de


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inexactitud más que de exactitud. En algunas ocasiones se utiliza, con elmismo significado, la frase incertidumbre de la medición.

Es frecuente oír hablar indistintamente de precisión y exactitud, aunque, comohemos visto, la diferencia entre ambos es bien significativa.

Los términos repetibilidad y reproducibilidad tienen un significado muyparecido, aunque se aplican en diferentes contextos.

Repetibilidad: se refiere grado de concordancia entre los resultados demediciones sucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo las mismascondiciones de medida.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 10. LA LINEALIDAD

Reproducibilidad: grado de concordancia entre los resultados de medicionessucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo diferentes condiciones demedida. Las medidas pueden realizarse a largo plazo o por personas distintaso con distintos aparatos o en distintos laboratorios.

Las características anteriores se definen cuantitativamente, como el valor pordebajo del cual se encuentra, con una probabilidad especificada, el valorabsoluto de la diferencia entre dos resultados individuales obtenidos en las


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condiciones anteriores. Si no se dice lo contrario, la probabilidad que se tomaes del 95%.

Resulta deseable que la lectura de salida de un instrumento sea linealmenteproporcional a la cantidad que se mide. La linealidad se define como lamáxima desviación de la curva de calibración con respecto a una línea rectadeterminada por la que se ha aproximado. Habitualmente se suele expresar enforma porcentual con respecto al alcance. También se conoce como nolinealidad o error de linealidad.

La linealidad expresa hasta que punto es constante la sensibilidad del sensor.El interés de la linealidad está en que la conversión lectura-valor medido esmás fácil si la sensibilidad es constante, pues entonces basta multiplicar laindicación de salida por un factor constante para conocer el valor de la entrada.

Actualmente, con la posibilidad de incorporar un microprocesador en lossistemas de medida, interesa más la repetibilidad que la linealidad, puessiempre es posible crear una tabla conteniendo los valores de entrada quecorrespondan a los valores de salida detectados. Mediante una interpolaciónadecuada, es posible reducir el tamaño de dicha tabla.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 11. LAS LINEALIDADES

Según que línea recta que se utilice para aproximar la curva de calibración sehabla de:


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Linealidad independiente: la línea de referencia se define por el método delos mínimos cuadrados. De esta forma el máximo error positivo y el mínimoerror negativo son iguales. Es la forma de especificación que suele dar mejorresultados.

Linealidad ajustada al cero: la recta se define también por el método de losmínimos cuadrados, pero con la restricción adicional de pasar por cero.

Linealidad terminal: la recta se define por la salida sin entrada y la salidateórica máxima, correspondiente a la mayor entrada admitida.

Linealidad a través de los extremos: la recta se define mediante la salida realcuando la entrada es la menor del alcance especificado, y la salida real cuandola entrada es la máxima del alcance especificado.

Los principales factores que influyen en la linealidad son: la resolución, elumbral y la histéresis:

Linealidad independiente: la línea de referencia se define por el método delos mínimos cuadrados. De esta forma el máximo error positivo y el mínimoerror negativo son iguales. Es la forma de especificación que suele dar mejorresultados.

Linealidad ajustada al cero: la recta se define también por el método de losmínimos cuadrados, pero con la restricción adicional de pasar por cero.

Linealidad terminal: la recta se define por la salida sin entrada y la salidateórica máxima, correspondiente a la mayor entrada admitida.

Linealidad a través de los extremos: la recta se define mediante la salida realcuando la entrada es la menor del alcance especificado, y la salida real cuandola entrada es la máxima del alcance especificado.

Los principales factores que influyen en la linealidad son: la resolución, elumbral y la histéresis

La resolución de un dispositivo es el mínimo incremento de la entrada queofrece un cambio medible en la salida. Se suele expresar como un valor entanto por ciento sobre el fondo de escala. Cuando el incremento de la entradase produce a partir de cero, se habla de umbral. En los sensores con formatode salida digital la resolución se expresa en bits. En los instrumentos con salidadigital la resolución puede expresarse como dígitos o número de cuentas. Porejemplo un multímetro de 4 ½ dígitos tiene una resolución de 1 parte en 20000cuentas (00000 a 19999). La terminología ½ dígito significa que el dígito más


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significante tiene menor valor que un rango completo de 0 a 9. Como normageneral ½ dígito significa que el dígito más significativo puede tener los valores0 ó 1. La resolución de un sensor, no es en general, un factor limitante enaplicaciones industriales, por cuanto siempre es posible disponer de una etapaamplificadora de forma que se puedan percibir pequeños cambios de laentrada. El factor último que limita la resolución es el ruido eléctrico.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 12. RESOLUCIÓN

La histéresis se define como la máxima diferencia en la medida dependiendodel sentido en el que se ha alcanzado. Las causas típicas de histéresis son lafricción y cambios estructurales en los materiales.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 13. CICLO DE HISTERESIS

LECCIÓN 4 ERRORES Y TIPOS DE ERRORES EN LA MEDICIÓN


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Un principio básico de todo sistema de instrumentación electrónica es el demedir una magnitud con el mínimo error posible. Sin embargo, siempre existeun grado de incertidumbre puesto que es imposible realizar una medición sinmodificar en mayor o en menor grado aquello que se mide. Además, lasvariables incontroladas, entre ellas el ambiente, el envejecimiento de loscomponentes, el ruido, etc., añaden nuevos errores. Distinguiremos tres tiposde errores en la medida de la magnitud física:

Aberrantes: suelen deberse a defectos en los aparatos de medida o aequivocaciones del observador al leer o escribir las indicaciones de aquellos, oa variaciones bruscas en las condiciones en que se mide. Los resultados de lasmediciones correspondientes a estos errores deben rechazarse.

Sistemáticos: son aquellos que si la misma magnitud se mide muchas veces,se mantienen constantes o varían según una ley determinada. En los erroressistemáticos se incluyen los errores metódicos y los instrumentales. Losprimeros son ocasionados por defectos del método de medición que se utiliza opor la inexactitud en la fórmula de cálculo. Los errores instrumentales sondebidos a la imperfección del diseño y a la inexactitud en la fabricación de losaparatos de medida.

Aleatorios o accidentales: aquellos cuya magnitud absoluta o signo varían almedir muchas veces una misma magnitud física. Se deben a variacionesimprevisibles en el proceso de medida, tanto en las condiciones físicas(temperatura, presión, humedad, etc.) como en el comportamiento delexperimentador (equivocaciones en la toma de datos, etc.). La mejorestimación del valor medido es el valor medio. Se puede reducir su influenciarepitiendo muchas veces las mediciones, produciéndose una compensaciónparcial de los errores.

Efecto de carga del circuito de medición. La transferencia de tensión o decorriente de un sistema ha otro debe hacerse sin pérdida de información. Sinembargo el valor de la impedancia de salida de la señal y la impedancia deentrada del sistema dan lugar a una atenuación de la señal.

• Proceso de medición. El proceso de medición perturbará siempre al sistemaque se está midiendo. La magnitud de la perturbación varía de un sistema demedición a otro, y se ve afectada especialmente por el tipo de instrumento demedición que se utiliza.

• Condiciones ambientales. Las características estáticas y dinámicas seespecifican para condiciones ambientales particulares, p.e. de temperatura y


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presión. La magnitud de esta variación se cuantifica por medio de la deriva dela sensibilidad y la deriva del cero (offset).

• Ruido periódico. Este ruido es provocado por la interferencia que produce laproximidad del sistema de medición a equipos o cables que conducen lacorriente y se alimentan de la red eléctrica.

• Envejecimiento. La aparición de errores sistemáticos después de ciertoperíodo de tiempo es absolutamente normal, esto se debe al envejecimiento delos componentes del instrumento. Se requiere una recalibración.

• Puntas de prueba. Es importante que tengan la sección transversaladecuada para minimizar su resistencia, e incluir el blindaje adecuado en casode que se sometan a la acción de campos eléctricos y magnéticos que puedaninducir señales de ruido en ellas.

• F.e.m. térmica. Siempre que se conectan dos metales diferentes se generauna f.e.m. térmica que varía de acuerdo con la temperatura de la unión (efectotermoeléctrico). Estas f.e.m térmicas son de unos cuantos mV y, por ello, suefecto será significativo siempre que las señales de medición tengan unamagnitud similar.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 14. RUIDO INTERNO E INTERFERENCIAS ELECTROMAGNETICAS

La consecuencia final de la presencia de errores de uno u otro tipo, o deambos, es una discrepancia entre el resultado de la medida y el verdadero


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valor absoluto. La diferencia entre ambas cantidades se denomina errorabsoluto.

Algunas veces se da en forma de porcentaje respecto al valor máximo de lalectura que puede dar el instrumento en la escala considerada. Se hablaentonces de errores a fondo de escala. En cambio, el cociente entre el errorabsoluto y el verdadero valor de la magnitud medida se denomina error relativo,y suele expresarse en tanto por ciento.

Para poder comparar entre si distintos sensores (o instrumentos de medida) encuanto a su exactitud, se introduce la denominada “clase de precisión”. Todoslos sensores de una misma clase tienen un error en la medida, dentro de sualcance nominal y en unas condiciones establecidas, que no supera un valorconcreto, denominado “índice de clase”. Este error de medida porcentualreferido aun valor convencional que es el valor superior de dicho alcance.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 15. MAGNITUDES DEL ERROR

Como hemos dicho los errores aleatorios son debidos a variacionesimpredecibles en el sistema de medida. Se pueden reducir calculando el valormedio de un número repetido de medidas. El grado de confianza en valormedio calculado puede ser cuantificado calculando la desviación estándar o lavarianza de los datos.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 16. ANALISIS ESTADISTICO DE LA MEDIDAS

En realidad en la fórmula matemática de la varianza aparece n en lugar de (n-1). Esta diferencia se debe a que la definición matemática corresponde a unconjunto infinito de datos, en tanto que el caso de las mediciones siempreestamos interesados en conjuntos de datos finitos, por lo que el empleo de (n-1) en el denominador produce un valor de la desviación estándar queestadísticamente es más cercano al valor correcto.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 17. DISTRIBUCIÓN NORMAL DE UNA MEDIDA


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La mayor parte de los conjuntos de datos de medición se ajustan a una curvade distribución normal o gaussiana debido a que, si los errores son realmentealeatorios, ocurren pequeñas desviaciones del valor de la media mucho más amenudo que las desviaciones mayores, es decir, el número de errorespequeños es mucho más grande que el de los grandes. Se puede demostrarque para una distribución normal, el 68% de las mediciones tienen errores quese encuentran dentro de los límites de ±σ, el 95,4% dentro del límite de error±2σ y el 99,7% de las medidas en el ±3σ.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 18. ERROR TOTAL

Si una medida está afectada tanto por errores sistemáticos como aleatorios queson cuantificados como ±a (errores sistemáticos) y ±b (errores aleatorios), serequiere alguna forma de expresar el efecto combinado de ambos tipos deerrores. Una forma es sumar los dos componentes del error, con lo que el errortotal sería e=±(a+b). Con esta forma de proceder los resultados pueden sermuy conservadores. Es más habitual expresar el error como una sumacuadrática:

Se está suponiendo que las fuentes de error son independientes, cosa que nosiempre es cierta.

El número de dígitos o cifras significativas que debemos emplear pararepresentar el valor de una magnitud física, así como su error, vienecondicionado por la precisión con que es conocida. La medida y el errorabsoluto se redondean de acuerdo con las siguientes reglas figura 19.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 18. REGLAS DE LOS ERRORES

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 19. ERRORES EN LAS MEDIDAS INDIRECTAS


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Llamamos medida indirecta a aquella que obtenemos a partir de otras medidas,directas o indirectas mediante alguna expresión matemática. En general, sea lamagnitud física y, que depende de n magnitudes x1, x2, …,xn: y = f(x1, x2, …,xn).De cada una de estas magnitudes, xi, conocemos su valor medio y su errorabsoluto, xi = xm±Δxi. El valor medio de la medida indirecta es: ym = f(x1m, x2m,…,xnm). El error absoluto se obtiene diferenciando la función. Si los errores sonsuficientemente pequeños, se pueden sustituir las diferenciales porincrementos, obteniéndose:

Δy, Δx1, Δx2,… son los errores absolutos de las medidas. Las derivadasparciales se calculan en los puntos xi = xim y se toman en módulos para quetodos los errores se sumen.


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LECCIÓN 5 MEDICIÓN DE LAS SEÑALES ELÉCTRICAS

La instrumentación electrónica se encarga de la captación y medida demagnitudes físicas. La información (datos) de una determinada magnitud físicase denomina variable. Cuando esta información es de naturaleza eléctrica, lavariable se denomina señal. Las señales pueden ser clasificadas atendiendo adiferentes criterios:

Señales analógicas: no tienen cuantificación en el parámetro de información.Señales discretas: debido a la cuantificación, la información solo puede tomarun número finito de valores.

En las señales dependientes del tiempo, el parámetro de información puedecambiar en cualquier instante (señales continuas) o bien los cambios solo sonposibles en instantes de tiempo discretos, debido a la cuantificación de tiempo.

Un caso de especial importancia son las señales binarias, las cuales solopueden tomar dos valores de amplitud discretos, 0 y 1.

Las señales digitales solo pueden tomar dos valores de amplitud discretos eninstantes concretos.

Señales deterministas: se conoce el comportamiento completo de la señal,incluso su comportamiento futuro. Por ejemplo señales de test como la funciónimpulso o la función escalón.

Señales no deterministas: se desconoce su comportamiento. Si son descritaspor una distribución de probabilidad, se denominan señales estocásticas.

Según la configuración de los terminales de la señal, están pueden ser:

Unipolares: se tienen entre un terminal y otro de referencia. El terminal dereferencia puede estar conectado a tierra o ser independiente de tierra (señalunipolar flotante). Si entre el terminal de referencia y tierra existe una tensiónse dice que es una tensión en modo común y no se puede conectar a tierraninguno de los terminales de la señal; la impedancia equivalente del generadorde modo común puede tener valores muy dispares según el caso.

Un termopar conectado a la carcasa de una turbina de vapor para medir latemperatura ofrece una señal unipolar puesta a tierra por estarlo la turbina. Elmismo termopar pero encerrado dentro de una vaina de acero y aislado de ellaofrece una señal, en principio, flotante. Si en vez de estar montado sobre laturbina lo está sobre un cable de alta tensión, esta tensión aparece en modo


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común a los terminales del termopar, y en serie con una impedancia (alta)determinada por el acoplamiento capacitivo entre el cable y tierra.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 19. TIPOS DE SEÑALES

Bipolares o diferenciales: se tienen entre dos terminales que sonindependientes del terminal de referencia, el cual puede estar o no conectado atierra. La impedancia entre cada uno de los dos terminales de señal y el detierra es similar. La polaridad con que se tomen las señales es irrelevante: solocambia el signo. Hay también tres posibilidades: señal diferencial puesta atierra, flotante o con tensión de modo común, que es lo más frecuente.

El punto de referencia para las señales flotantes, o uno cualquiera de losterminales de señal, puede conectarse a tierra; para las señales con tensión demodo común, no se puede conectar a tierra ningún terminal, ni siquiera el dereferencia. Se puede, sin embargo, invertir la polaridad de la salida. Lasseñales diferenciales se distinguen porque las diferencias de potencialrespectivas entre cada terminal y el de referencia varían simultáneamente en lamisma magnitud pero en sentido opuesto. Sin embargo, muchas veces seemplea un circuito equivalente como el de la figura inferior derecha, donde estapropiedad no queda patente; obsérvese que aquí el terminal C no coincide conel punto C de la figura inferior izquierda. Obviamente, mientras una señalunipolar puede darse con dos terminales, una señal diferencial necesitasiempre al menos tres terminales para su representación: alto (A), bajo (B) ycomún (C).


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 20. SEÑALES UNIPOLARES

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 21. SEÑALES DIFERENCIALES


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Las señales se pueden clasificar también atendiendo al valor de su impedanciade salida, Z0. Si lo que se quiere medir es una tensión se puede ver confacilidad que la impedancia de entrada del dispositivo de medida Zi debe sermucho mayor que la de salida, sino se quiere que la señal resulte atenuada. Encambio si lo que se desea medir es una corriente la situación es la contraria: laimpedancia de entrada ha de ser mucho menor que la de salida de la señal. Silo que se desea es transmitir la máxima potencia de un elemento al siguiente ycomo suele ser habitual las impedancias son resistivas, la resistencia deentrada y de salida deben ser iguales (teorema de la máxima transferencia deenergía).

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 22. SEÑALES DE ALTA Y BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA

EJEMPLO DE UNA SEÑAL DIFERENCIAL - EL ENLACE RS-485

El enlace RS-485 es, en realidad, una simplificación del enlace RS-422empleando un único par trenzado para un enlace XON-XOFF (Son enlaces enlos que existe solo líneas de datos y a lo sumo una línea de cero de señal.),semidúplex. Desde el punto de vista físico, el hecho de que el enlace seasemidúplex permite utilizar una sola línea de transmisión para transmitir yrecibir los datos, aunque requiere un software de control de enlace (Nivel OSI2) que haga conmutar la línea según que el terminal deba transmitir o recibirdatos, el esquema del principio del enlace puede verse en la figura 1, donde se


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han dibujado deliberadamente en el interior de cada terminal un transmisor yreceptor análogo.

FUENTE: AUTOMATAS PROGRAMABLESJoseph Balcells – José Luís Romeral

FIGURA 23. RS -485: ENLACE PUNTO A PUNTO RS- 485

Las características del enlace en cuanto a niveles lógicos, distancias máximasy velocidades de transmisión en enlaces punto a punto son:

Niveles de tensión: 5 y 6 V a circuito abierto, para el nivel lógico uno y 0Vpara el nivel lógico cero.

Distancias: 1200 a 1500 m

Tasa de Transmisión: 2400 a 19200 baudios.

El enlace RS-485 admite y suele emplearse en una topología en bus segúnmuestra la figura 2, obsérvese que la topología no implica que el enlace lógicono pueda ser de tipo anillo, estrella u otro.

En la conexión en red, el número máximo de terminales conectados suele estarlimitado a 32 por razones de carga; sin embargo puede admitirse un númeromayor de terminales o mayores distancias de enlace utilizando repetidores oamplificadores de bus.


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FUENTE: AUTOMATAS PROGRAMABLESJoseph Balcells – José Luís Romeral

FIGURA 24. ENLACE DE RED MEDIANTE EL BUS RS- 485


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CAPÍTULO 2 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIÓNANÁLOGA

LECCIÓN 1 SENSORES Y TRANSDUCTORES

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir undeterminado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombredel transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza, aunque nonecesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usadoprincipalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información deentornos físicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsoseléctricos o viceversa.

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones decualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración,tamaño, cantidad, etc. Podemos decir también que es un dispositivo queaprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide paraque la pueda interpretar otro elemento. Como por ejemplo el termómetro demercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse ocontraerse por la acción de la temperatura. Muchos de los sensores soneléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quieremedir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g.un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador(posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador yun display) de modo que los valores sensados puedan ser leídos por unhumano.Los sensores se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios:

a) Según el aporte de energía

Activos: necesitan para su funcionamiento de una fuente de energía auxilia(p.eJ termistores). Se empelan principalmente para medir señales débiles. Susensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación.

Pasivos: no requieren la presencia de una fuente de energía auxiliar parafuncionar. Por ejemplo los termopares producen directamente una tensión desalida proporcional a la temperatura.

b) Según la magnitud medida: sensores de temperatura, presión, caudal,humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc. Esta clasificación


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es la más extendida en los libros de instrumentación. Sin embargo tiene elinconveniente de la gran variedad de sensores.

c) Según el parámetro variable: resistivos, capacitivos, inductivos,magnéticos, ópticos, etc. Según este criterio se reduce el número de tipos desensores. Además los sensores de un mismo parámetro variable suelencompartir la circuitería de acondicionamiento.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 25. SEÑSORES TÍPICOS

UN TRANSDUCTOR UTILIZADO PARA LA MEDICIÓN

EL GALVANOMETRO DE D’ARSONVAL

La base del funcionamiento del galvanómetro se aplica a instrumentosmodernos de medición; la estructura fundamental del galvanómetro deD’Arsonval consta de un mecanismo de bobina – móvil e imán permanente(PMMC), como se muestra en la figura 26.

Tal como se observa en la figura el galvanómetro consta de un imánpermanente con forma de herradura el cual tiene una bobina suspendida en elcampo magnético. La ubicación de la bobina es tal que cuando fluya unacorriente por la bobina se desarrolle un par electromagnético (EM), y estapueda girar libremente. Se cuenta además con unos resortes de controlsujetos a la bobina móvil; el par magnético de estos resortes contrarrestan elpar electromagnético de la bobina.


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En el momento en que se tenga el equilibrio de los 2 pares, una aguja dedeflexión nos indicará con respecto a una referencia fija la posición de labobina móvil. La referencia fija que se toma se conoce como escala.

El par desarrollado se expresa entonces por:

T = B x A x I x N

Donde:

T = par (Newton - metro N-m)

B = densidad de flujo en el entrehierro [Webers / metro cuadrado (teslas)]

A = área efectiva de la bobina (m²)

I = corriente en la bobina móvil [ampere (A)]

N = número de vueltas de alambre en la bobina

FUENTE: COOPER, HELFRICK, “INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA MODERNA Y TÉCNICAS DE MEDICIÓN”,PRENTICE HALL.

FIGURA 26. EL MOVIMIENTO DE D’ARSONVAL

El par que se desarrolla será directamente proporcional a la densidad de labobina, el área de la bobina y el número de vueltas, estos tres elementos son


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constantes para cada instrumento en particular, se tiene entonces que el parnos indicara en forma directa la corriente en la bobina.

Mecanismos de amortiguamiento

1. Amortiguamiento mecánico: es causado por el movimiento de la bobinaa través del aire que la rodea. También se produce por la fricción delmovimiento en los cojinetes y la flexión de los resortes de suspensión.

2. Amortiguamiento electromagnético: es producido por los efectosinducidos en una bobina móvil a medida que gira en el campomagnético, teniendo en cuenta que la bobina forma parte de un circuloeléctrico cerrado.

Los galvanómetros pueden ser amortiguados al conectar una resistencia através de una bobina. Al girar la bobina en el campo magnético, se generaun voltaje entre sus terminales, produciéndose entonces una corriente quecircula a través de la bobina y la resistencia externa. Ocasionando un paropuesto y retardador que amortigua el movimiento del elemento móvil. Estaresistencia se denomina resistencia externa de amortiguamiento crítico(CRDX). Al tener un menor valor de esta resistencia, mayor será el par deamortiguamiento.

EL MOVIMENTO DE D’ARSONVAL

El movimiento del mecanismo de bobina – móvil e imán permanente (PMMC),es el movimiento de D’Arsonval.

El instrumento de la figura 1 está formado por un imán permanente en forma deherradura, unido a el se tiene piezas polares de hierro dulce, la función deestas piezas es proveer un campo magnético uniforme. La aguja que estasujeta a la bobina nos indicará la deflexión angular (por consiguiente lacorriente que circula por la bobina).

El instrumento cuenta además con dos resortes conductores de fósforo –bronce cuyo comportamiento constante mantiene la exactitud del instrumentó.

Al aplicar una corriente alterna de frecuencia baja, la deflexión de la agujasubirá en la escala durante medio ciclo de la onda de entrada y bajará (endirección opuesta), en el otro medio ciclo. A una frecuencia más alta, la agujano podrá seguir las variaciones rápidas en su dirección y vibraría ligeramentealrededor del cero, buscando el valor promedio de la señal alterna (que es iguala cero). El instrumento será entonces ineficiente para medida de frecuenciasaltas, solo será útil si se rectifica la corriente antes de aplicar a la bobina.


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El desarrollo de nuevos materiales magnéticos permite tener imanes que sirvencomo núcleo los cuales son insensibles a campos magnéticos externos,suprimiendo los efectos de interferencia magnética.

En aplicaciones donde varios instrumentos estén en espacios reducidos seemplea el auto blindaje en los núcleos magnéticos.


FIGURA 27. EL GALVANOMETRO DE D’ARSONVAL

Suspensión banda – tensada

Normalmente era usado en laboratorios, principalmente, donde era necesariauna alta sensibilidad, se buscaba reducir al máximo la fricción entre los pivotesy joyas. En esta configuración el galvanómetro de suspensión debe ser usadoen posición vertical, si se tiene una desviación en los ligamentos de bajo par, elsistema movió podrid hacer contacto con elementos estáticos del mecanismoen cualquier otra posición. Los instrumentos de suspensión banda-tensada sepueden construir con mayor sensibilidad que los que usan pivotes y joyas,tienen además la ventaja de ser insensibles a golpes y temperaturas., ysoportan mayores sobrecargas.

LECCIÓN 2 EL AMPERIMETRO DE CORRIENTE DIRECTA (DC)


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EL RESISTOR DE DERIVACIÓN

El devanado que tiene la bobina en el galvanómetro es de tamaño limitado, portal razón puede conducir entonces solo corrientes muy pequeñas. Paracorrientes mayores se necesita desviar la mayoría de la corriente por unaresistencia conocida como de derivación.


FIGURA 27. AMPERÍMETRO DE CD CON RESISTENCIA DE DERIVACIÓN

De la figura:

Rm: Resistencia interna de la bobina

Rs = Resistencia de derivación

Im = corriente de deflexión a plena escala del movimiento

Is = corriente de derivación

I = corriente a plena escala del amperímetro incluyendo la de derivación

Esta resistencia puede consistir de un alambre de resistencia o puede ser unaderivación externa (manganina o costantain) con una resistencia muy baja.Normalmente se emplean derivadores externos de este tipo para medircorrientes muy grandes.

El diseño de un amperímetro DC capaz de medir corrientes dentro de un rangoespecífico, se basa en la utilización de un divisor de corriente, como elmostrado en la Figura 28

En el nodo A la corriente i se divide en dos: i1 e i2. Por ley de Kirchhoff se tieneque cumplir:

i = i1 +i2

Además


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VAB = i1R1 = i2R2

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 28. DIVISOR DE CORRIENTE

De las dos ecuaciones anteriores podemos deducir las siguientes relaciones:

Vamos a aplicar este principio a nuestro diseño. Supongamos que disponemosde un galvanómetro cuya corriente máxima es Im y cuya resistencia interna esRi, y queremos construir con él, un amperímetro capaz de medir una corrienteI, donde I>Im. Si colocamos el galvanómetro en una de las ramas de un divisorde corriente, obtenemos la configuración mostrada en la Figura 29.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 29. GALVANOMETRO EN DIVISOR DE CORRIENTE

Donde:


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Por lo tanto:

Para diseñar un amperímetro capaz de medir corrientes entre 0 e I Amp. Apartir de un galvanómetro cuya corriente máxima es Im y cuya resistenciainterna es Ri, conectamos en paralelo con dicho dispositivo una resistencia devalor R1, calculado de tal forma que cuando la corriente incidente en elinstrumento sea I, la que circule por el galvanómetro sea Im. Con estoobtenemos un instrumento cuya corriente máxima es I y cuya resistenciainterna es Ri en paralelo con R1.

Forma de conexión

Para que un amperímetro DC indique el valor de una corriente, debe circularpor él dicha corriente, por lo tanto debemos conectar el amperímetro en seriedentro del circuito en el que deseamos realizar la medición, con la polaridadcorrecta. Por ejemplo, si queremos determinar la corriente que circula por elcircuito mostrado en la Figura 30, debemos conectar el amperímetro de laforma indicada en la Figura 31. Antes de conectar un amperímetro en uncircuito debemos estimar el valor aproximado de la corriente que circula por elmismo, ya que en caso de que ésta sea superior a la máxima corriente quepuede detectar el instrumento, podemos dañarlo.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 30. CIRCUITO BAJO MEDICIÓN


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FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 31. CONEXIÓN DEL AMPERÍMETRO EN EL CIRCUITO BAJO MEDICIÓN

Otro factor que debemos tener en cuenta al conectar un amperímetro es elvalor de su resistencia interna. Si dicho valor es comparable o mayor que el delas resistencias del circuito, la introducción del instrumento altera en formaapreciable el valor de la resistencia total y por lo tanto el de la corriente, por loque la medida realizada de esta forma se aleja mucho del valor que tenía lacorriente antes de introducir el instrumento en el circuito.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 32. CIRCUITO CON RESISTENCIAS COMPARABLES A LA DEL AMPERÍMETRO

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 33. AMPERÍMETRO EN EL CIRCUITO ANTERIOR


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Por ejemplo, si en el circuito mostrado en la Figura 32, donde i = 1 A,introducimos un amperímetro cuya resistencia interna es de 5, como se indicaen la Figura 33, el amperímetro indicará 0.5 A, ya que la resistencia total delcircuito se duplica debido a la introducción del instrumento. Este es uno de loserrores de medición que debemos evitar, como discutimos anteriormente.

DERIVACIÓN DE AYRTON

Si queremos diseñar un amperímetro de varias escalas, para cada una de ellastendremos que calcular la resistencia que debemos colocar en paralelo con elgalvanómetro. La configuración más simple de este instrumento es la mostradaen la Figura 34.


FIGURA 34. AMPERÍMETRO CON MÚLTIPLE RANGO

Este instrumento se conoce como amperímetro multirango, se ilustra en lafigura 34. El circuito tiene 4 resistencias de derivación. El interruptor S es demultiposición, hace conexión antes – de - desconectar, de manera que elmovimiento no se vea afectado cuando el circuito se queda sin protección, alcambio de rango.

En el esquema anterior podemos observar que si queremos cambiar de escalacuando el amperímetro está conectado a un circuito, debemos desconectarlo,efectuar el cambio y luego conectarlo nuevamente, ya que si realizamos dichocambio sin eliminar la conexión, mientras el selector esté entre dos posicionestoda la corriente circulará por el galvanómetro, y como dicha corriente es mayorque Im, probablemente dañará el instrumento. Para evitar esto podemosemplear la configuración de la Figura 35.


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. FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 35. CONFIGURACIÓN DE SEGURIDAD PARA EL AMPERÍMETRO DE VARIAS

ESCALAS.

De esta forma mientras el selector se encuentra entre dos posiciones, elgalvanómetro tiene siempre una resistencia conectada en paralelo.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 36. AMPERÍMETRO DE VARIAS ESCALAS CON SELECTOR DE SEGURIDAD


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Otra solución posible para el circuito de la Fig. 34 es utilizar un selector tal quesi se encuentra en una posición intermedia, esté conectado simultáneamente ados resistencias adyacentes, como podemos observar en la Figura 36.

Características de un amperímetro.

Las características que debemos indicar para especificar un amperímetro son:

- Corriente máxima- Resistencia interna- Exactitud- Precisión- Linealidad

PRECACUCIONES AL MEDIR

Al realizar mediciones con amperímetros se deben tener en cuenta lassiguientes precauciones.

1- Siempre conectar el amperímetro en serie con una carga que límite lacorriente; ya que la resistencia interna del instrumento es pequeña ycircularía una corriente muy alta que puede destruir el instrumento.

2- Tener en cuenta la polaridad correcta. Si se tiene una polaridad inversala aguja se reflecta contra el mecanismo de tope y se puede dañar laaguja.

3- Si se utiliza un medidor con varias escalas, primero emplear la escalamás alta, posteriormente disminuya la escala de corriente hasta obtenerla medida adecuada.


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LECCIÓN 3 EL VOLTIMETRO DE CORRIENTE DIRECTA (DC)El diseño de un voltímetro DC capaz de medir voltajes dentro de un rangoespecífico, se basa en la utilización de un divisor de voltaje, como el mostradoen la Figura 37

.FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdf

FIGURA 37. DIVISOR DE VOLTAJE

En dicho circuito, a corriente que circula por ambas resistencias es la misma,por lo tanto se cumple:

Pero

De donde

Vamos a aplicar este principio al diseño de un voltímetro.

El galvanómetro tiene una resistencia interna Ri y una corriente máxima Im,debido a esto el voltaje máximo entre los extremos del mismo es Vmax = Ri Im.

Si queremos diseñar un voltímetro capaz de detectar entre sus terminalesvoltajes hasta de E voltios (donde E>Vmax) debemos conectar en serie con elgalvanómetro una resistencia R1, como se indica en la Figura 38.


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FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 38. GALVANÓMETRO EN DIVISOR DE VOLTAJE: VOLTÍMETRO

El valor de R1 debe ser tal que:

Por lo tanto:

Con esta configuración tenemos un instrumento que marca máxima escalacuando el voltaje entre sus terminales es E.

Conexión del voltímetro.

Para que un voltímetro DC indique el valor de un voltaje, debe existir dichovoltaje entre sus terminales, por lo tanto tenemos que conectar el voltímetro enparalelo con el elemento al que queremos determinarle su voltaje con lapolaridad adecuada.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 39. VOLTÍMETRO BAJO MEDICIÓN


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FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 40. CONEXIÓN DE UN VOLTÍMETRO PARA MEDIR EL VOLTAJE EN R2

Por ejemplo, si deseamos medir el voltaje existente entre los terminales de laresistencia R2 del circuito mostrado en la Figura 39, debemos conectar elvoltímetro como se indica en la Figura 40. Antes de conectar un voltímetro, aligual que en el caso del amperímetro, debemos estimar el valor aproximado delvoltaje que vamos a medir, ya que en caso de que éste sea superior al máximovoltaje que puede detectar el instrumento, podemos dañarlo.

De la misma forma, otro factor que debemos tener en cuenta al conectar unvoltímetro es su resistencia interna. Si esta resistencia es del mismo orden demagnitud que aquella sobre la que vamos a conectar el voltímetro en paralelo,la introducción del instrumento afecta la resistencia total del circuito en formaapreciable, y por lo tanto altera el voltaje que deseamos medir. Por ejemplo, enel circuito de la Figura 41, el voltaje entre los extremos de R2 es de 4V. Si paramedir dicho voltaje conectamos un voltímetro cuya resistencia interna sea de400K, alteraremos significativamente la resistencia total del circuito, y la lecturadel instrumento será de 2.5V.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 41. CIRCUITO CON RESISTENCIAS COMPARABLES A LA DEL VOLTÍMETRO


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Voltímetro de varias escalas

Para cada una de las escalas que deseamos diseñar, debemos calcular laresistencia que debemos conectar en serie con el galvanómetro. Una vezrealizado este cálculo, podemos implementar el voltímetro de varias escalasutilizando una de las configuraciones presentadas en las Figuras 42 y 43.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 42. PRIMERA CONFIGURACIÓN PARA EL VOLTÍMETRO DE VARIAS ESCALAS

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 43. SEGUNDA CONFIGURACIÓN PARA EL VOLTÍMETRO DE VARIAS ESCALAS

Características de un Voltímetro.

Al igual que para un amperímetro, las características más importantes que esnecesario especificar para un voltímetro son:


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- Corriente máxima- Resistencia interna- Exactitud- Precisión- Linealidad

Para este instrumento está definido otro parámetro denominado característicaohmios/voltio y que algunos fabricantes llaman también sensibilidad.

Vamos a analizar de dónde surge esta característica.

Para diseñar un voltímetro de varias escalas, debemos calcular la resistenciaque tenemos que conectarle en serie al galvanómetro para cada una de ellas.O sea, para obtener una escala que pueda indicar hasta V1 voltios, debemosconectar una resistencia R1, para tener otra que llegue hasta V2, debemosconectar R2 y así sucesivamente. Para la primera escala la resistencia internatotal que presentará el voltímetro será RTl = Ri + R1, para la segunda seráRT2= Ri + R2, etc. La tabla Nº 7 resume el procedimiento de diseño.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfTABLA 7. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UN VOLTÍMETRO DE VARIAS ESCALAS

Como podemos observar en la tabla anterior, la relación (resistencia internatotal)/(voltaje máximo de la escala) es una constante que depende delgalvanómetro que estamos utilizando, ya que es igual al inverso de la corrientemáxima de dicho instrumento. Esta relación se conoce con el nombre decaracterística ohmios/voltio ya que éstas son las unidades en que vieneexpresada.

¿Cuál es la utilidad de dicha característica?

Observando la primera, tercera y cuarta columnas de la tabla anterior podemosdeducir que si conocemos dicha característica del voltímetro y la escala quevamos a utilizar para realizar una medición determinada, podemos calcular laresistencia interna que presenta el voltímetro en dicha escala. Por ejemplo, enel circuito de la Figura 44 queremos medir el voltaje Vab con un voltímetro quetiene una característica /V de l0K/V, y cuyas escalas son lV, 5V, l0V y 50V.


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El voltaje que deseamos medir es de 8V por lo que la escala más apropiada esla de 10V.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 44. CIRCUITO BAJO MEDICIÓN

En dicha escala el voltímetro presenta una resistencia interna de:10Vx10K=100K, que comparada con 8Kes mucho mayor, por lo que laconexión del voltímetro no afectará mucho las variables del circuito en el quedeseamos realizar la medición. Podríamos utilizar también la escala de 50V,cuya resistencia interna es de 500Kpor lo que en esta escala la conexión delvoltímetro afecta aún menos el circuito bajo medición, pero en este caso laprecisión de la medida sería mucho menor.

Sensibilidad del voltímetro

Se define la sensibilidad del voltímetro como el reciproco de la corriente dedeflexión a plena escala del movimiento básico

][1

VIS

fsd

Donde:

S = Sensibilidad del voltímetro (Ω/V)V = escala de voltaje, seleccionado con el interruptor de rango.

fsdI : Corriente de deflexión a plena escala.


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LECCIÓN 4 ÓHMETRO DE CORRIENTE DIRECTA (DC)Diseño básico.

Un óhmetro es un instrumento capaz de medir el valor de una resistenciacuando ésta se conecta entre sus terminales. Dado que la resistencia es unelemento pasivo, es necesario que el instrumento contenga un elemento activocapaz de producir una corriente que pueda detectar el galvanómetro incluido endicho instrumento. Por lo tanto, el circuito básico del óhmetro es el mostrado enla Figura 45.

El procedimiento de diseño básico para este instrumento es el siguiente: Enprimer lugar, supongamos que la batería tiene un valor dado (es una pila de lasque podemos conseguir en el mercado), por lo que el valor que debemosdeterminar para fijar las condiciones del circuito es el de la resistencia R.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 45. CIRCUITO BÁSICO DEL ÓHMETRO

Si la resistencia incógnita es (circuito abierto) no circula corriente por elcircuito, por lo tanto, en la escala del galvanómetro, Rx=corresponde a laposición de la aguja cuando la corriente es nula (usualmente el extremoizquierdo de la escala).

Para cualquier otro valor de Rx circulará cierta corriente por el circuito, que serámáxima cuando Rx = 0. Ahora bien, como la máxima corriente que puedecircular por el galvanómetro es Im, para Rx = 0 se debe cumplir:


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De donde

Una vez calculado este valor, el circuito está totalmente especificado. Podemosahora calibrar la escala en ohmios utilizando resistencias patrón de distintosvalores, o realizar una calibración en forma teórica, empleando la ecuaciónanterior.

Como podemos observar, la ubicación de los valores de las resistencias en laescala es única y está totalmente definida. Si por ejemplo, obtenemos unadistribución como la mostrada en la Figura 46, será muy difícil realizarmediciones de resistencias cuyos valores sean del orden de 10o de 1M.Por lo tanto para diseñar óhmetros donde podamos seleccionar por ejemplo laresistencia correspondiente a media escala, es necesario plantear nuevasconfiguraciones.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 46. CALIBRACIÓN DE LA ESCALA DE UN ÓHMETRO

Diseño de un óhmetro con selección de la resistencia a media escala.

En el circuito de la Figura 45 solo hay una incógnita: el valor de R, y por lo tantosólo podemos imponerle una condición: Cuando la resistencia incógnita esnula, debe circular la corriente máxima por el galvanómetro. Si queremosimponerle otra condición, como por ejemplo cual debe ser el valor de laresistencia incógnita para la que el galvanómetro indicará media escala, esnecesario que contemos con otra variable que podamos calcular en el circuito.

Hay dos configuraciones posibles para contar con un circuito con dosincógnitas, cuyos circuitos pueden observarse en la Figura 47. Con la primeraconfiguración, el valor de la resistencia que se le puede asignar a la posición demedia escala del óhmetro (Rm) es siempre mayor que la resistencia interna delgalvanómetro, ya que como se verá posteriormente, en caso contrario el valorde R resultaría negativo.


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Con la segunda configuración, a Rm se le pueden asignar valores tantomayores como menores que la resistencia interna del dispositivo, dentro de loslímites que se van a determinar durante el análisis de dicha configuración.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 47. CONFIGURACIONES PARA UN ÓHMETRO CON SELECCIÓN DE LA

RESISTENCIA A MEDIA ESCALA.

Diseño de un óhmetro con un valor a media escala específico utilizando laprimera configuración.


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La Figura 48 presenta el circuito Thévenin equivalente de la primeraconfiguración, en el que podemos observar los elementos equivalentes Veq yReq.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 48. THÉVENIN EQUIVALENTE DE LA PRIMERA CONFIGURACIÓN

A partir de dicho circuito, podemos plantear un sistema de dos ecuaciones condos incógnitas, imponiendo las condiciones de diseño deseadas: Cuando Rx =0, por el circuito debe circular la corriente máxima permitida por elGalvanómetro y cuando Rx = Rm, la corriente debe ser igual a la mitad dedicha corriente máxima. Por lo tanto.

Despejando los valores de Req y Veq se obtiene:

De la ecuación anterior podemos concluir que la resistencia que se puedeseleccionar como lectura de media escala (Rm) debe ser siempre mayor que laresistencia interna del galvanómetro (Ri) tal como se había mencionadoanteriormente, ya que en caso contrario la resistencia Req tendría un valornegativo, lo cual no es físicamente posible.

Una vez determinados los valores de Req y Veq, es necesario hallar los valoresde V, R, R1 y R2, ya que éstos son los verdaderos componentes del


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instrumento que queremos diseñar. Las relaciones entre estos parámetros sonlas siguientes:

Como podemos observar, contamos con dos ecuaciones y cuatro incógnitas,por lo que para completar el trabajo debemos incluir dos criterios de diseño quenos ayuden a determinar el valor más adecuado para los componentes. Dichoscriterios de diseño son:

- Vamos a utilizar una o más pilas comerciales, cuyo valor nominal es de 1,5V.Por lo tanto, si Veq es menor que 1,5V, hacemos los cálculos con V = 1,5V,esto es, colocamos en el instrumento una sola pila; si Veq se encuentra entre1,5V y 3V, utilizamos dos pilas, por lo que V = 3V, y así sucesivamente. Por logeneral, los óhmetros no acostumbran a tener más de dos pilas.

- Si en el circuito de la Figura 47(a) consideramos que la corriente que circulapor el lazo donde se encuentra el galvanómetro es mucho menor que lacorriente que circula por la fuente V y la resistencia R1 (IR), la corriente por R2va a ser prácticamente igual a la de R1 y por lo tanto el voltaje sobre R2 va aser independiente de las variaciones de Ig. Al aplicar este criterio, el valor de laresistencia R es igual a Req, ya que el paralelo de R1 y R2 va a ser muchomenor que R.

La condición que debemos imponer para que la aproximación anterior seaválida es que la corriente IR sea mucho mayor que Imax, por lo menos unas 10veces mayor, o preferiblemente más. Ahora bien, si escogemos un valor de IRexcesivamente alto, la disipación de potencia en las resistencias R1 y R2 serámuy elevada, y las pilas se descargan muy rápidamente, por lo que debemosllegar a una situación de compromiso, como por ejemplo IR = 20 Imax. (Alrealizar cada diseño en particular podemos probar otras relaciones).

Al aplicar los dos criterios de diseño mencionados, quedan determinados losvalores de V y R, y podemos plantear el siguiente sistema de ecuaciones paracalcular R1 y R2:


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Resolviendo obtenemos:

En resumen, el procedimiento para diseñar un óhmetro con la primeraconfiguración, utilizando un galvanómetro que tenga una resistencia interna Riy cuya corriente máxima sea Imax, de forma tal que la lectura a media escalasea Rm, (valor que debe ser mayor que Ri), es el siguiente:

a) Seleccionar una o más pilas de forma que el valor de V sea mayor que RmImax.

b) Seleccionar R = Rm – Ri

c) Seleccionar un factor F entre la corriente que va a circular por la fuente y lacorriente máxima del galvanómetro (por ejemplo F =20).

d) Calcular

e) Calcular

f) Determinar la potencia disipada por cada una de las tres resistenciascalculadas.

Diseño de un óhmetro de valor a media escala específico utilizando lasegunda configuración

En el circuito presentado para la segunda configuración en la Figura 47(b)podemos establecer las siguientes condiciones:


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Cuando Rx es igual a cero, por el galvanómetro debe circular la corriente Imax.Por la resistencia Rb circula una corriente I1 de valor desconocido. Al aplicar laLey de Kirchhoff de los Voltajes al lazo inferior se obtiene:

1

Donde V es una pila de valor comercial. La corriente I1 está relacionada conImax mediante el divisor de corriente dado por la siguiente ecuación:

2

Cuando Rx es igual a Rm, por el galvanómetro debe circular la mitad de lacorriente máxima, Imax/2, y por la resistencia Rb circula una corriente I2 devalor desconocido. Al aplicar la Ley de Kirchhoff de los Voltajes al lazo inferiorse obtiene:

3La corriente I2 está relacionada con Imax/2 mediante el divisor de corrientedado por la siguiente ecuación:

4Las ecuaciones 1, 2, 3 y 3 forman un sistema de cuatro ecuaciones con cuatroincógnitas (Ra, Rb, I1 e I2) a partir del cual se pueden calcular los valores deinterés para diseñar un óhmetro utilizando la segunda configuración (Ra y Rb).A partir de las ecuaciones 2 y 4 se puede deducir:

5Sustituyendo esta relación en la ecuación 1 se obtiene:

6

Las ecuaciones 1 y 6 forman un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas(I2 y Rb) tal como se puede observar a continuación:


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7De donde se obtiene:

9

La ecuación 8 indica que para que el diseño sea realizable es necesario que elvoltaje V sea mayor que Imax Ri, es decir, que la pila comercial tenga unvoltaje superior al máximo voltaje que puede haber entre los extremos delgalvanómetro. Para determinar el valor de la resistencia Ra se sustituye laecuación 9 en la 4, de donde se obtiene:

10

Esta ecuación impone una segunda condición al diseño, que puede expresarsede la siguiente forma:

11

Es decir, la resistencia seleccionada como valor de media escala debe sermenor que V/Imax, ya que si esta condición no se cumple, el valor de laresistencia Ra debería ser negativo, lo cual es físicamente imposible. Ahorabien, esta condición no es una restricción severa, dado que podemosseleccionar el valor de la fuente V utilizando las pilas que sean necesarias.

En resumen, para diseñar un óhmetro con la segunda configuración, utilizandoun galvanómetro que tenga una resistencia interna Ri y cuya corriente máximasea Imax, de forma tal que la lectura a media escala sea Rm, se debe aplicar elsiguiente procedimiento:


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a) Seleccionar un valor de V comercial que sea mayor que el producto Ri Imaxy que el producto Rm Imax.

b) Calcular

c) Calcular

d) Determinar la potencia disipada por cada una de las resistencias calculadas.

Potenciómetro de ajuste de un óhmetro.

Por lo general, cuando se montan los circuitos correspondientes a cada una delas dos configuraciones analizadas, no se coloca exactamente el valor de laresistencia R obtenido para la primera configuración ni el de la resistencia Rbobtenido para la segunda, sino que se conectan resistencias de valoresinferiores a los calculados y se completan colocando potenciómetros(resistencias variables) en serie. De esta forma, a medida que se vadescargando la pila comercial, puede irse ajustando la resistencia total de cadauno de los circuitos para poder cumplir con la condición de que cuando laresistencia de medición es cero, por el galvanómetro debe circular la máximacorriente Imax.

Diseño de un óhmetro de varias escalas

En las Figuras 49 y 50 podemos observar los diagramas de óhmetros de variasescalas correspondientes a cada una de las dos configuraciones estudiadas

El procedimiento de diseño para cada configuración es el explicadoanteriormente. En este caso la segunda configuración presenta una desventajacon respecto a la primera, porque requiere un selector doble, mientras que elde la primera es sencillo.


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FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 49. OHMETRO DE VARIAS ESCALAS CON LA PRIMERA CONFIGURACIÓN

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 50. OHMETRO DE VARIAS ESCALAS CON LA SEGUNDA CONFIGURACIÓN


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LECCIÓN 5 MEDICIÓN DE SEÑALES AC, MULTÍMETRO TIPORECTIFICADOR

Estos instrumentos constan básicamente de un galvanómetro (PMMC) conalgún tipo de rectificador. El elemento rectificador esta formado casi siemprepor diodos. En la mayoría de aplicaciones el elemento rectificador empleado esla configuración de puente de diodos como la que se ilustra en la Figura 51.


FIGURA 51. VOLTÍMETRO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Este puente rectificador proporcionará una rectificación de onda completa;teniéndose una corriente pulsante unidireccional a través del medidor, sobre unciclo completo de voltaje de entrada. El medidor indicará una deflexión estableproporcional al valor promedio de la corriente. Los valores de corriente yvoltaje alterno se expresan en valores rms, la escala se calibra entonces enfunción de valores rms. Hay un concepto empleado en la medición de señaleses conocido como factor de forma, este relaciona el valor promedio y el valorrms de los voltajes y corrientes variantes en el tiempo.

Factor de forma = valor efect. de la onda de ca / valor promedio de la onda caPara una onda senoidal esta relación tendrá un valor de 1.11

En forma ideal el rectificador cuenta con una resistencia directa cero, inversainfinita. En la práctica el rectificador es un dispositivo no lineal. Para valoresbajos de corriente dc, el rectificador trabaja en la parte no lineal de suscaracterísticas.


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La resistencia del elemento en el rectificador varia con los cambios detemperatura, a temperaturas o muy altas o muy bajas varia la resistencia,alternado los valores de las mediciones.

Los cambios de frecuencia también afectan la operación, al aumentar lafrecuencia por encima de 1 Khz., se aumenta el error en la medición.

MULTIMETRO.

Hemos visto que el diseño de los amperímetros, voltímetros y óhmetros sebasa en la utilización de un galvanómetro de D’Arsonval.

Debido a esto surge la idea de diseñar un instrumento capaz de incluir a losotros tres. Este instrumento es el que conocemos con el nombre de multímetro.

Para diseñar un multímetro debemos tener en cuenta cuál va a ser suaplicación, ya que este hecho determinará el rango de cada una de las escalasdel amperímetro, voltímetro y óhmetro. Además hay una serie de requisitosadicionales que debe cumplir un multímetro para que sea realmente uninstrumento versátil, entre los cuales están:

- Debe ser liviano, para que sea fácil transportarlo de un lugar a otro.- Debe ser compacto, por la misma razón anterior.- Debe tener una buena protección mecánica, para que sea resistente tanto alos golpes como a las vibraciones.

- Debe ser de fácil manejo y lectura.

Para elegir la escala deseada utilizamos un "conmutador o selector", el cual esun dispositivo mecánico mediante el cual podemos seleccionar las conexioneseléctricas.

Un selector giratorio común consta, como podemos observar en la Figura 52,de uno o dos discos denominados galletas, en los cuales se encuentran loscontactos dispuestos en forma radial. El puente de contacto es una láminametálica conductora fijada a un eje de rotación que establece la conexión entredos contactos determinados, de acuerdo a su posición angular. La fijaciónmecánica de las posiciones del eje se logra mediante un disco rígido provistode una serie de topes que determinan la posición de una lámina metálica fijadaal eje. La rotación del eje se logra en forma manual, a través de una perillacolocada al final de éste. Los selectores pueden tener una, dos o más galletas,de acuerdo a la cantidad de contactos necesarios. En la Figura 53 podemosobservar el diagrama de un multímetro elemental. La determinación de los


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valores de las resistencias que lo constituyen queda como ejercicio para ellector.

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 52. CONMUTADOR O SELECTOR PARA MULTÍMETROS

FUENTE: www.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdfFIGURA 53. DIAGRAMA DE UN MULTÍMETRO ELEMENTAL


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CIRCUTOS TIPICOS DE MULTIMETROS AC

El circuito de la figura 54 nos muestra un circuito típico de un voltímetro de AC.El diodo D1 conduce la mitad del ciclo positivo de la señal AC de entrada, elmedidor se deflectará según el valor promedio de la mitad del ciclo. La bobinadel instrumento cuenta con una resistencia de derivación Rsh. El diodo D2conducirá en el ciclo negativo.


FIGURA 54. CIRCUITO TÍPICO DE UN VOLTÍMETRO DE AC

Generalmente los multimetros comerciales cuenta con las mismas marcas deescalas para rangos de voltaje cd y ca. Para el caso de señales senoidales, lacomponente cd de una onda senoidal es igual a 0.45 veces el valor rms. Parapoder obtener la misma deflexión en los intervalos correspondientes de cd y ca,el multiplicador de rango de ca se debe disminuir proporcionalmente.


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CAPÍTULO 3 CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE EQUILIBRIO

LECCIÓN 1 PUENTE DE WHEATSTONE

Los elementos resistivos son los sensores más comunes. Son baratos y esrelativamente fácil realizar el interfaz con los circuitos de acondicionamiento. Elvalor de su resistencia varía desde unos 100 Ω hasta varios cientos de kΩ,dependiendo del sensor y del entorno físico de medida. En las RTDs y en lasgalgas se produce un cambio porcentual relativamente pequeño en el valor desu resistencia en respuesta a un cambio en una variable física como latemperatura o la fuerza. Así p.e. una RTD de platino de 100 Ω tiene uncoeficiente de temperatura de 0,385%/ºC, de manera que para medir 1ºC, laexactitud en la medida debe ser mejor que 0,385 Ω. Las galgas presentan uncambio típico menor del 1 % del valor nominal de resistencia.

Un método simple para medir resistencia es forzar una corriente constante através del sensor resistivo y medir la tensión de salida. Esto requiere que tantola fuente de corriente como la medida de tensión sean suficiente exactas.

Cualquier variación en la corriente será interpretado como un cambio en laresistencia. Por otro lado la disipación de potencia en el sensor resistivo debeser pequeña para evitar errores en la medida por el autocalentamiento. Enconsecuencia la fuente de corriente debe ser de pequeño valor, limitando laresolución de la medida.

El puente resistivo de la figura (conocido como puente de Wheatstone) es unaforma alternativa para medir pequeños cambios de resistencia. La variación enel valor inicial de una o varias de las resistencias del puente, comoconsecuencia de la variación de una magnitud física, se detecta en el puentecomo un cambio en la tensión de salida. Dado que los cambios de resistenciason muy pequeños, los cambios en la tensión de salida pueden ser tanpequeños como decenas de mV, lo que obliga a amplificar la señal de salidadel puente.


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FIGURA 54. PUENTES DE WHEATSTONE

La diferencia de potencial entre los puntos c y d definirá la corriente a través delgalvanómetro. Para el caso donde la diferencia de potencial es cero, no setendrá paso de corriente por el instrumento, se dice entonces que el puenteestá equilibrado o balanceado, para que se cumpla esta condición:

Vca = Vda y Vcb = V bd

Donde Vca = I1R1 y Vda = I2R2Por tanto I1R1 = I2R2 (Ec. 1)

Si por el instrumento de medición (G) no se tiene paso de corriente:


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I1 = I3 =31 RR

Vcc

y I2 = I4 =

42 RR

Vcc

Remplazando en la (Ec. 1):

31

1

RR

VccR

=

42

2

RR

VccR

Simplificando:31

1

RR

R

=

42

2

RR

R

De donde: R1R4 = R2R3

Si se conoce el valor de 3 resistores el cuarto valor puede encontrarseempleando la expresión anterior, Si R4 es la resistencia desconocida:

R4 =1

32

R

RR

R3 se conoce como rama patrón, y las resistencias R2 y R1 se denominanramas de relación.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 55. PUENTES ALIMENTADOS EN TENSIÓN


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La figura 55 muestra cuatro casos típicos de puentes alimentados en tensiónque se suelen presentar en la práctica. La tensión de salida del puentedepende de la tensión de alimentación, por tanto la exactitud de la medida nopuede ser mejor que la exactitud de la tensión de excitación.

El caso (A) en el que varía sólo un elemento, es el más adecuado para lamedida de temperatura con RTDs o termistores. También para medidas dedeformación con una sola galga. Vemos que la relación entre la salida delpuente e ΔR no es lineal. Más adelante veremos métodos para linealizar lasalida del puente. El caso (B) se tiene p.e. con dos galgas iguales montadasadyacentemente, con sus ejes en paralelo. La no linealidad es igual que en elcaso (A), pero la sensibilidad es el doble. Este tipo de puente con doselementos variando es típico de sensores de presión y de flujo. En el caso (C)se tienen dos elementos idénticos que varían en direcciones opuestas. Es elcaso de dos galgas una montada en la parte superior de la superficie flexible yotra en la parte inferior. La configuración (D) es una de las más populares. Laseñal de salida es la mayor de todas para un cambio de resistencia y esinherentemente lineal. Es una configuración típica de las células de carga.

La sensibilidad del puente se calcula como la derivada de la salida respecto ala variación de resistencia. Vemos que es proporcional a la tensión dealimentación y se incrementa a medida que el puente tiene más elementos queVarían.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 56. PUENTES ALIMENTADOS CON CORRIENTE


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Los puentes resistivos pueden también ser alimentados por una fuente decorriente constante, como se muestra en la figura 56. Estas configuraciones, noson tan populares como las alimentadas por tensión. Una ventaja que tiene esque cuando el puente está localizado remotamente de la fuente de excitación,la resistencia del cableado no introduce errores en la medida. Por otro lado elcableado es más simple. Note también que salvo el caso (A) todas lasconfiguraciones son lineales.

Además del número de elementos que varían en el punte, en el diseño de unpuente resistivo hay que considerar otras cuestiones como el tipo de excitacióny su estabilidad. Aunque tensiones de excitación altas dan lugar a tensiones desalida altas, la disipación de potencia es también alta, con posibilidad deerrores por auto-calentamiento de la resistencia del sensor. Por el contrario,valores de la tensión de excitación bajos requieren más ganancia en el circuitode acondicionamiento, lo cual incrementa la sensibilidad a errores debidos aseñales de pequeño nivel como ruido y tensiones de offset. Por otro lado laestabilidad de la tensión o de la corriente de excitación afecta directamente a laexactitud de la salida del puente, por lo que se deben emplear referencias detensión o de corriente estables.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 57. AMPLIFICACIÓN DE LA SALIDA DEL PUENTE


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Para amplificar la salida del puente lo mejor es utilizar un amplificador deinstrumentación (AI) como se muestra en la figura, en la que RG fija laganancia.

Como el AI proporciona una alta impedancia entre cada nodo de salida delpuente y masa no desequilibra el puente ni lo carga. El AI permite obtenerganancias entre 10 – 1000 con excelente CMRR, sin embargo la salida aún noes lineal. Se puede linealizar la salida del puente por software conectando lasalida del AI al CAD de un microcontrolador.

La alimentación del AI puede ser dual (figura superior) o simple con -VS=0(figura inferior). En este último ejemplo la tensión del pin REF del AI tiene queser elevada al menos 1V. En el ejemplo se utiliza una tensión de referencia de2V de forma que la salida del AI esté entre 2V±1V, que corresponde al margende entrada del CAD.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 58. LINEALIZACIÓN DE LA SALIDA

Se pueden emplear varias técnicas para linealizar la tensión salida del puente(ojo, esto no quiere decir que se linealice el sensor). La figura de la izquierdamuestra un primer método, en el cual el puente debe estar “abierto” en uno delos nodos donde va a conectarse el sensor, lo que obliga a disponer de cincoterminales accesibles. El circuito de la derecha permite superar esta


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circunstancia, a costa de añadir otro amplificador operacional. Se requierealimentación dual y además una relación de resistencias R1-R2 ajustada yestable. Se recomienda utilizar operacionales de precisión.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 59. LINEALIZACIÓN DE LA SALIDA

Utilizarse el esquema de la izquierda, similar al visto para un solo elementoresistivo variable. Para la misma tensión de alimentación ahora la sensibilidaddel conjunto es el doble. Se requiere una fuente doble y una gananciaadicional.

El esquema de la derecha utiliza un operacional, una resistencia de medida yuna referencia de tensión. El objeto del bucle es mantener una corrienteconstante de valor IB = VREF/RSENSE a través del puente. La corriente a través decada uno de los brazos del puente se mantiene constante e igual a IB/2, por loque la salida es lineal con ΔR. El AI proporciona una ganancia adicional.

Los principales problemas asociados con los puentes de medida emlocalizaciones remotas son la resistencia del cableado de conexión y la tensiónde ruido inducida. Para cuantificar el error que se comete en la mediciónconsidere una galga de 350 Ω, conectada al resto del circuito puente por un partrenzado de 100 ft (1 ft=0,30 m) de longitud. La resistencia eléctrica del cablede conexión a 25 ºC es 0,105 Ω/ft y el coeficiente de temperatura del cobre0,385%/ºC. Calcular el error en la ganancia y en el offset debido a unincremento en la temperatura de 10 ºC.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 60. MEDIDAS REMOTAS

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 61. CONEXIÓN A TRES HILOS

El efecto de la resistencia del cable en la tensión de salida puede serminimizado con la conexión a tres hilos de la figura. Se supone que se mide latensión de salida del puente con un dispositivo de alta impedancia, por lo queno circula corriente por el cable de medida. Calcule para esta conexión loserrores en la ganancia y el offset debidos a un incremento en la temperatura de10ºC.


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De especial importancia es mantener la exactitud y estabilidad de la tensión deexcitación del puente ya que como hemos visto la tensión de salida del puentees proporcional a la tensión de excitación, de forma que cualquier deriva en latensión de excitación produce la correspondiente deriva en la tensión de salida.


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LECCIÓN 2 PUENTE DE KELVIN

Es una modificación del puente de Wheatstone, es útil en la medición deresistencias de bajo valor, su estructura se muestra en la figura 62.


FIGURA 62. PUENTE DE KELVIN

El galvanómetro de medición no tendrá un punto fijo de conexión teniendo 2puntos posibles m o n.

Si el punto de conexión es m, el valor de Rx se aumentará en un valor de Ry(resistencia del alambre), si el punto de conexión es n, el valor de R3aumentará debido a Ry; y el valor de Rx disminuirá. Si tomamos la ecuación deequilibrio para el puente:

Rx +/- Rnp =2

1

R

R (R3 + Rmp)

Si se conecta el galvanómetro en el punto p, entre m y n, de manera que larazón de la resistencia de n a p y m a p iguale la razón de los resistores R1 yR2, entonces:


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Rmp

Rnp =2

1

R

R

Por tanto:

Rx + Ry (21

1

RR

R

) =

2

1

R

R [R3 + (21

2

RR

R

)Ry]

Simplificando:

Rx =2

1

R

R R3

Esto nos muestra que si se conecta el galvanómetro en la posición intermediap, se elimina el efecto de la resistencia del alambre de conexión del punto m alpunto p.

METODO KELVIN

Algunos puentes de medida tienen los cuatro elementos resistivos sensibles(p.e las células de carga) y encapsulados en un único componente, con seisterminales accesibles: dos para la salida, dos para la excitación y dos para elsensado. Este esquema se muestra en la figura y se conoce cómo métodoKelvin.

Aunque este método elimina los errores debidos a la caída de tensión en laresistencia del cable del puente, se requiere que la tensión de alimentación seamuy estable ya que afecta directamente a la tensión de salida. Además, losoperacionales deben tener baja tensión de offset, bajas derivas y bajo ruido.

Adicionalmente se puede conectar la VB a la entrada de referencia de un ADC.Este actúa como un divisor (con salida digital) entre su tensión de entrada (lasalida del puente es proporcional a la tensión de alimentación) y la tensión dereferencia. De esta forma la fuente de alimentación no se requiere que sea muyestable. A este tipo de medidas se las denomina ratio métricas o medidas porrelación.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 63. METODO KELVIN

Otro método para minimizar el efecto que la resistencias es la conexión acuatro hilos es el de la figura, en la que el puente se excita con una fuente decorriente. Tiene la ventaja de que sólo utiliza un amplificador, pero puederequiere un buffer de corriente para poder proporcionar corrientes por encimade unos pocos mA.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 64. CONEXIÓN A CUATRO HILOS

LECCIÓN 3 PUENTE DE MAXWELL


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Es empleado para la medición de inductancias de valor desconocido,teniéndose un valor conocido de capacitancia. Su estructura se muestra en lafigura 65:

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 65. PUENTE DE MAXWELL

Tomando la ecuación de equilibrio para el puente:

ZXY1 = Z2Z3 o Zx = Z2Z3Y1

Para la rama 1 se tiene la admitancia Y1 =1

1

R + jwC1

Remplazando: Zx = Rx + jwLx = R2R3(1

1

R+ jwC1)

Separando partes reales e imaginarias:

Rx =1

32

R

RR y Lx = R2R3C1

El puente de Maxwell tiente un buen desempeño para medición de bobinas conQ medio. Entre 1 y 10.


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Dado un inductor real, el cual puede representarse mediante una inductanciaideal con una resistencia en serie (Lx, Rx), la configuración del puente deMaxwell permite determinar el valor de dichos parámetros a partir de unconjunto de resistencias y un condensador, ubicados de la forma mostrada enla Figura 66.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 66. PUENTE DE MAXWELL PARA MEDIR LOS PARÁMETROS DE UN INDUCTOR

El hecho de utilizar un capacitor como elemento patrón en lugar de un inductortiene ciertas ventajas, ya que el primero es más compacto, su campo eléctricoexterno es muy reducido y es mucho más fácil de blindar para protegerlo deotros campos electromagnéticos.

La relación existente entre los componentes cuando el puente está balanceadoes la siguiente:

En primer lugar, podemos observar que los valores de Lx y Rx no dependen dela frecuencia de operación, sino que están relacionados únicamente con losvalores de C1 y R1, R2 Y R3.

Por otra parte, existe una interacción entre las resistencias de ajuste, ya quetanto R1 como R3 intervienen en la ecuación de Rx, mientras que en la de Lxsolo interviene R3.

De acuerdo con esto, es necesario realizar varios ajustes sucesivos de las dosresistencias variables hasta obtener la condición de cero en el detector. Por lotanto, el balance de este tipo de puente resulta mucho más complejo ylaborioso que el de un puente de Wheatstone de corriente continua.


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El puente tipo Maxwell también se utiliza para determinar el valor decondensadores reales cuyo modelo circuital consta de una conductancia idealen paralelo con una resistencia que representa las pérdidas óhmicas. Laconfiguración del circuito en este caso es la presentada en la Figura 66.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 67. PUENTE DE MAXWELL PARA MEDIR LOS PARÁMETROS DE UN

CONDENSADOR.


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La ecuación en la condición de equilibrio es:

Como en el caso anterior, los valores de Cx y Rx son independientes de lafrecuencia, e igualmente existe interacción entre los elementos de ajuste,debido a que ambos aparecen en la expresión de Rx.

Si los parámetros de ajuste fuesen R1 y C1 en lugar de R1 y R3, desapareceríala interacción presente actualmente. La desventaja de un puente en el que elelemento variable es un condensador es el hecho de que resulta difícil hallarcapacitares variables de precisión con valores comprendidos dentro de unrango adecuado para poder hacer un diseño de este tipo.

La configuración del Puente de Maxwell ofrece muy buenos resultados siemprey cuando la Q del circuito no sea demasiado grande, esto es, mientras Rx delinductor no sea muy pequeña o Rx del condensador no sea excesivamentegrande, ya que en caso contrario, R1 debería tomar valores mayores que losque ofrecen las resistencias de ajuste disponibles. En estos casos es necesarioutilizar otro tipo de configuración, que analizaremos a continuación.


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LECCIÓN 4 PUENTE DE HAY, SCHERING Y PUENTE WIEN

PUENTE DE HAYLa configuración de este tipo de puente para medir inductores reales, cuyomodelo circuital consta de una inductancia en serie con una resistencia es lamostrada en la Figura 68.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 68. PUENTE DE MAXWELL PARA MEDIR LOS PARÁMETROS DE UN

CONDENSADOR.

La ecuación de balance para este puente es la siguiente:

Esta ecuación puede separarse en las siguientes:

De donde:


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Como podemos observar, los valores de Lx y Rx además de depender de losparámetros del puente, dependen de la frecuencia de operación y lasexpresiones para calcular Lx y Rx son complejas.

Ahora bien, en el punto anterior indicamos que esta configuración la vamos autilizar cuando el valor de Q sea elevado, ya que en caso contrario esconveniente emplear el puente de Maxwell.

Como Q=1/wC1R1, cuando Q>>l, podemos considerar que los denominadorestanto de Lx como de Rx son igual a 1, sin introducir en la medición del inductorun error mayor que el debido a la exactitud con la que se conoce el valor realde los otros elementos del puente. Con esta aproximación, las fórmulas para Lxy Rx son:

Utilizando estas relaciones se puede calcular el valor de Lx y Rx en formamucho mas directa. Podemos considerar que a partir de Q=10, este valor es losuficientemente grande como para realizar la aproximación.

Para medir condensadores reales, cuya representación circuital es unaCapacitancía en paralelo con una resistencia, la configuración del puente deHay es la mostrada en la Figura 69

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 69. PUENTE DE HAY PARA MEDIR LOS PARÁMETROS DE UN CONDENSADOR


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88

Las relaciones que se cumplen cuando el puente está balanceado son:

De donde:

Despejando Cx y Rx obtenemos:

Como en el caso anterior, si Q>>1, las ecuaciones de Cx y Rx se puedensimplificar de la siguiente forma:


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PUENTE DE SCHERING

Es empleado este puente para la medición de capacitares. Su estructura semuestra en la Figura 70:

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 70. PUENTE DE SCHERING

En la rama 3 del circuito se ubica un capacitor normalmente de mica de altacalidad o un capacitor de aire para mediciones de aislamiento.

De la ecuación de equilibrio general del puente:

Zx = Z2Z3Y1

Donde :

Zx = Rx -wCx

j Y1 =1

1

R+ JWC1

Por tanto:

Rx -wCx

j = R2(-3wC

j )(1

1

R + jwC1)

Multiplicando:

Rx -wCx

j =3

12

C

CR -13

2

RwC

jR


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Igualando componentes reales e imaginários:

Rx = R23

1

C

C y Cx = C32

1

R

R

El ajuste de equilibrio del puente se hace mediante C1 y R2.El factor de potencia (PF), de un circuito serie RC se define como:

PF =Zx

Rx

Para ángulos de fase cercanos a 900, la reactancia es casi igual a laimpedancia y se aproxima a :

PF =Zx

Rx = wCxRx

En un circuito RC el factor de disipación (D), es por definición:

D =Xx

Rx = wCxRx =Q

1

El factor de disipación es un indicador de la calidad del capacitor.Teniendo en cuenta que:

Rx =3

12

C

CR y Cx =2

13

R

RC

D =23

1312

RC

RCCwR = WR1C1

PUENTE WIEN

Es útil para la medición de frecuencia, además es empleado en osciladores deaudio y HF como elemento que determina la frecuencia, también es empleadoen los analizadores de distorsión armónica donde se usa como filtro pasabanda.

La estructura del puente se muestra en la figura 71


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 71. PUENTE DE WIEN

Donde:

Z1 = R1 -1wC

j y Y3 =3

1

R + JWC3

Tomando la ecuación de equilibrio del puente y remplazando los valoresapropiados:

R2 = (R1 -1wC

j )R4(3

1

R + JWC3)

Desarrollando la ecuación:

R2=3

41

R

RR + JWC3R1R4 -31

4

RwC

jR +1

34

C

CR

Tomando la parte real:

R2 =3

41

R

RR +1

34

C

CR

Simplificando

4

2

R

R =3

1

R

R +1

3

C

C

Para la parte imaginaria:


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WC3R1R4 =31

4

RwC

R

Dondew = 2πf

Despejando

f =31312

1

RRCC

La condición de equilibrio esta determinada entonces si se cumplen la ecuaciónque relaciona las resistencias del circuito y se tiene un señal de entrada conuna frecuencia que cumpla con la expresión anterior.

Normalmente se emplea: R1 = R3 y C1 = C.Esto no lleva a R2/R4 = 2 y f =1/2πRC.


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LECCIÓN 5 CONDICIONES DE EQUILIBRIO DE LOS PUENTES,APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE EQUILIBRIO

La estructura del puente de mediciones de c.a. es similar al puente de d.c., ungenerador, un detector de cero y 4 ramas.

El detector de cero actúa conforme se tengan corrientes de desequilibrio,normalmente se emplea un par de audífonos, un amplificador de c.a. con unmedidor de salida o un tubo de rayos catódicos como detector de cero.

La estructura del puente se muestra en la figura 4, con sus 4 ramas y eldetector de cero, el puente se encuentra en estado de equilibrio si la corriente através del detector es cero.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 72. CONDICIÓN DE EQUILIBRIO

Para ajustar el equilibrio del puente se debe variar una o más ramas. Paraencontrar la ecuación general para el equilibrio del puente se debe tener encuenta que las cuatro ramas presentan un valor de impedancia. Para lacondición de equilibrio:

Eac = 0 (en magnitud y fase)

Para esto se debe cumplir que:EBA = RBC o I1Z1 = Z2

De donde:


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I1 =31 ZZ

E

y I2 =

42 ZZ

E

Remplazando:Z1Z4 = Z2Z3

Para el caso en que se empleen admitancias:

Y1Y4 = Y2Y3

Teniendo en cuenta que se trata de cantidades complejas, su expresión enforma polar es:

(Z1 1 )(Z4 4 ) = (Z2 2 )(Z3 3 )

Tomando en cuenta las características de los números complejos:

Z1Z4 1 + 4 = Z2Z3 2 + 3

Se generan 2 condiciones a satisfacer para que el puente este en equilibrio:

Z1Z4 = Z2Z3 producto de magnitudes de ramas puestas1 + 4 = 2 + 3 suma de ángulos de fase de las ramas opuestas


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BIBLIOGRAFÍA

LIBROS CONSULTADOS

Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,Prentice Hall.

Bopton, ”Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas”, Alfaomega Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”,

Paraninfo. Manuales de los equipos de laboratorio seleccionados Guías del profesor Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”,

Paraninfo. Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,

Prentice Hall. Buchla, David y Mc Lachlan, Wayne, ”Applied electronic instrumentation and

measurement”, Macmillan publishing company, New York. Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,

Prentice Hall Creus, Antonio. Instrumentación Industrial. Sexta edición Alfaomega – Marcombo

1998. Doebeling, E. O. Measurement Systems Applicationand Design. McGraw Hill New

York 1990. Lion, K. S. Elements Of Electrical And Electronic Instrumentation. McGraw Hill

New York 1975. Ogata, Katsuhiko. Modern Control Engineering. Segunda edición Englewood Cliffs

Prentice Hall New York 1990.

PAGINAS WEB CONSULTADAS

Pagina Web de Físicahttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm

Pagina Web de Metrologíawww.cem.es/cem/es_es/metrologia/sme.pdf

Pagina Web de Procedimientos de Referenciawww.quimica.urv.es/quimio/general/crms.pdf

Pagina Web de la Superintendencia de Industria y Comerciohttp://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.php

Pagina Web Instrumentación Electrónicahttp://www2.ate.uniovi.es/13996/

Pagina Web con documentación técnica de medidores análogoswww.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdf

Pagina Web de consulta personalizadawww.monografias.com/trabajos17/sistemas-adquisicion-dato/sistemas-adquisicion-dato.shtml

Pagina Web de Nacional Instruments, LabVIEW


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www.ni.com/labview Pagina Web con documentación técnica de Tubos de Rayos catódicos

personales.unican.es/perezvr/pdf/tubos%20de%20rayos%20catodicos.pdf Pagina Web con documentación técnica sobre el manejo del osciloscopio

http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc_5.htm Pagina Web con documentación técnica sobre Reflectometría

elec.itmorelia.edu.mx/tovar/2modlineas-01.htm


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INSTRUMENTACION Y MEDICIONESUNIDAD 2 INSTRUMENTACIÓN Y MEDICIONES DIGITALES

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CAPÍTULO 1 DIGITALIZACIÓN DE SEÑALES

LECCIÓN 1 TRANSFORMACIÓN DE UNA SEÑAL ANALOGICA ADIGITAL Y VICEVERSA

SISTEMAS MUESTREADOS

En el contexto de la instrumentación digital, muestrear una señal implicareemplazar la magnitud continua por una secuencia de números querepresentan los valores de dicha señal en determinados instantes. Un sistemamuestreado es aquel que, partiendo de una señal o magnitud analógica ocontinua es capaz de generar una secuencia de valores discretos, separados aintervalos de tiempo.

El muestreo es la característica fundamental de los sistemas de control digital,dada la naturaleza discreta de los dispositivos que realizan el proceso decontrol. Generalmente la señal continua es convertida en una secuencia denúmeros que son procesados por el computador digital.

El computador da una nueva secuencia de números, los que son convertidos auna señal continua y aplicada al proceso. Este segundo proceso se denominareconstrucción de la señal. Dada la importancia del muestreo es necesarioconocer a fondo este proceso. La Figura 73 y 74 muestra la forma en que serealiza el muestreo.

FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 73. UNA SEÑAL DE FUNCIÓN Y(t) ENTRA A UN MULTIPLICADOR MUESTREADOR

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL PROCESO DE MUESTREO DE UNA SEÑAL ANÁLOGA


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Existe un primer elemento llamado muestreador que congela un instante elvalor de la señal a muestrear, pero la salida del muestreador sigue siendoanalógica. Para convertir esta señal a un valor numérico esta el conversoranalógico digital.

FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 74. SEÑALES GENERADAS A PARTIR DEL PROCESO DE MUESTREO DE UNA SEÑAL

ANÁLOGA.

En el ejemplo se ha dibujado ex-profeso el muestreo con tiempos diferentespero lo más común es muestrear con un período constante Tm llamado períodode muestreo. Si bien se han dibujado separados, el muestreador y el conversornormalmente están juntos en un mismo elemento.

Lo que conviene reiterar es que el proceso no sufre alteración alguna y si ésteera continuo lo seguirá siendo. Para mayor claridad, se muestra en la Figura 75cómo sería la generación de una señal de control discreta y en la Figura 76 seobservan las diferentes señales.

A los fines del análisis es útil tener una descripción del muestreo. Esta acciónsignifica simplemente reemplazar una señal por su valor en un número finito depuntos. Sea k el conjunto de números enteros. El muestreo es una operaciónlineal. El período de muestreo es normalmente constante o sea t = kTm. Enestas condiciones se llama muestreo periódico y Tm es llamado período demuestreo.

A HzTmf s1 se le denomina frecuencia de muestreo.

Son usados también otros esquemas de muestreo mas sofisticados. Porejemplo, muestrear diferentes lazos con diferentes períodos de muestreo. Estecaso se denomina muestreo múltiple y puede ser tratado como superposiciónde varios muestreos periódicos.


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FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 75. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR DIGITAL.

FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 76. MUESTREO DE UNA SEÑAL CONTINUA.

El caso del muestreo periódico ha sido estudiado profundamente. Mucha teoríaestá dedicada a este tema pero el muestreo múltiple está cobrando importanciadía a día con el uso de sistemas multiprocesadores. Con el software modernoes posible diseñar un sistema como si fuesen varios procesos trabajandoasincrónicamente. La señal continua y(t) se convierte en una secuenciamediante el muestreador y el CAD que normalmente es el elemento más lentode la cadena.

Ya dentro del computador se genera la secuencia de control u. Este procesoconsume un determinado tiempo Tc. Mediante el CDA la secuencia seconvierte en analógica y por último el bloqueador o Retenedor interpola los


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100

valores de la señal entre dos períodos de muestreo. El bloqueador más usuales aquel que mantiene el valor de la señal hasta la siguiente muestra llamadoretenedor de orden cero.

TEOREMA DEL MUESTREO

Si el muestreo es suficientemente pequeño no se pierde casi información peroésta pérdida puede ser importante si el período de muestreo es muy grande.Es, entonces, esencial saber cuando una señal continua es biunívocamentedefinida por su muestreo. El siguiente teorema da las condiciones para elmuestreo.

Una señal continua con espectro en frecuencia nulo fuera del intervalo [-ω0, ω0]es reconstruible totalmente si se la muestrea con una frecuencia ωs>2. Lareconstrucción se obtiene mediante el siguiente cálculo:

(1)

La frecuencia ωs/2 recibe el nombre de Frecuencia de Nyquist.

RECONSTRUCCIÓN DE SENALES

Si se quiere saber cómo es la señal continua a partir de la información quebrinda la secuencia de muestras es necesario un proceso llamado dereconstrucción. En este proceso es posible que la señal reconstruida nocoincida exactamente con la original. Esto se ve en la figura 77.

La pregunta es cuán parecida será la señal reconstruida a la original. Tododependerá del reconstructor que se utilice.

RECONSTRUCCIÓN IDEAL

Para el caso de señales con ancho de banda limitado, se puede reconstruir apartir de la ecuación (1). La desventaja es que esta operación no es causal y sedeben conocer los valores anteriores y posteriores al instante tratado. Esto noes conveniente para el control digital, pero si puede ser útil en comunicacionesdonde se puede aceptar un retardo. Otra desventaja es su complicado cálculo yque solo es aplicable al muestreo periódico.


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FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 77. PROCESO DE RECONSTRUCCIÓN DE UNA SEÑAL ANÁLOGA.

RECONSTRUCCIÓN DE LA SEÑAL TRIANGULAR CON UNA FRECUENCIA DE SEÑAL MUESTREADORA DE100K CON AMPLITUD 5VPP

Esta reconstrucción es no causal y en la gráfica 78 se muestra el resultado delproceso; la línea suave es la señal continua (color violeta) y la ondulada es sureconstrucción (color verde). Se muestran además los aportes de cadaelemento de la sumatoria. La reconstrucción no es perfecta ya que no seconsideraron infinitos términos de la sumatoria.

FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 78. RECONSTRUCCIÓN IDEAL DE UNA SEÑAL

BLOQUEADORES.

La reconstrucción anterior no es útil para aplicaciones en Instrumentación ydemasiado costosa desde el punto de vista de cálculo. Es por esto que seeligen métodos más simples. El más usual es el bloqueador de orden cero oretenedor que consiste en mantener la señal en el mismo valor de la últimamuestra.


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FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 79. RECONSTRUCCIÓN DE UNA SEÑAL CON RETENEDOR DE ORDEN CERO

Dada su simplicidad este bloqueador ZOH es el más usado en control digital ylos CDA estándares son diseñados con este principio. Obviamente éstareconstrucción introduce un error como se puede ver en la figura 79. Otrobloqueador causal es el que se construye considerando las dos últimasmuestras y extrapolando linealmente el comportamiento futuro que es elretenedor de Primer Orden o FOH.

APARICIÓN DE FRECUENCIAS ESPURIAS

Lo que dice el teorema del muestreo es que si la frecuencia de muestreo esinferior a la máxima frecuencia del sistema continuo la reconstrucción ya no esposible debido a la superposición de los lóbulos. Un ejemplo es lo que sucedeal muestrear la señal de la figura 80.

FUENTE: GRAFICA CONSTRUIDA EN SIMULINK DE MATLABFIGURA 80. APARICIÓN DE FRECUENCIAS ESPURIAS

Una posible solución es incrementar la frecuencia de muestreo pero esto traedos problemas:


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1) si se observan los elementos de la transformada en Z, estos varían con elperíodo de muestreo y en particular las raíces de los polinomios tenderán todasa 1, esto llevará a errores numéricos indeseados.

2) en el caso de que se elija una frecuencia suficientemente alta respecto delas frecuencias propias de la planta, puede ser que no sea lo suficientementealta con respecto a alguna perturbación y el muestreo de esta perturbaciónintroduzca componentes de baja frecuencia.

Estas señales que aparecen reciben el nombre es frecuencias alias y la únicaforma de evitarlas es filtrar la señal antes del muestreo.


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LECCIÓN 2 CIRCUITOS DE MUESTREO Y RETENCIÓN

Los circuitos de muestreo y retención (Sample and Hold, S&H) se usanampliamente en el procesado de señales analógicas y en sistemas deconversión de datos para almacenar de forma precisa, una tensión analógicadurante un tiempo que puede variar entre menos de 1μseg y varios minutos.

Aunque conceptualmente son simples, sus aplicaciones están llenas desutilezas y en general las aplicaciones que necesitan solamente una velocidadmoderada y asimismo una moderada exactitud, generan pocos problemas,pero las aplicaciones de alta velocidad y exactitud necesitan un cuidadosodiseño. Por ejemplo tomar una muestra de 10V en menos de 1μseg con unaexactitud del 0,01% es relativamente complicado. Lógicamente, si se deseaadquirir señales con una variación lenta en el tiempo no es necesariomuestrear y por ello no se requiere emplear un circuito S&H.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 81. CIRCUITOS DE MUETREO Y RETENCIÓN

La figura 81 muestra un circuito de muestreo y retención básico. Cuando elinterruptor se cierra el condensador se carga a la tensión de entrada. Cuandoel interruptor se abre el condensador retiene esta carga con lo que “congela” latensión durante un período especificado exteriormente. De este modo no hacefalta que la conversión sea muy rápida; basta que lo sea la adquisición de lamuestra. La salida del CAD corresponde entonces al valor de la entrada en el“instante” de muestreo. El tiempo de conversión vendrá limitado solamente porel criterio de Nyquist.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 82. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS

En la práctica se tienen errores tanto en la conmutación del interruptor como enlos intervalos muestreo y de retención. La figura 82 muestra los parámetrostípicos de un circuito S/H.

Durante el intervalo de muestreo el S&H se comporta como un amplificador ypor lo tanto las características estáticas y dinámicas que tiene son similares alas de cualquier amplificador, es decir:

Error de cero (sample offset). Es el valor de la tensión de salida cuando laentrada es cero.

Error de ganancia (gain accuracy, gain error). Es la diferencia entre la tensiónde entrada y la de salida.

Derivas de la ganancia con la temperatura.

Tiempo de establecimiento (settling time)

Ancho de banda.

Máxima velocidad de variación de la salida (slew rate)


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 83. MUESTREO - RETENCIÓN

En esta fase se abre el interruptor, aunque no de forma instantánea, ni siemprecon el mismo retardo. Por lo tanto, aunque una vez transcurrido el tiempo deadquisición decidamos retener la muestra, el valor retenido realmente será otro.

Tiempo de apertura (Aperture time). Es el tiempo necesario para que elinterruptor pase del estado de muestreo al de retención. Se mide desde el nivel50% de la señal de control de muestreo a retención, hasta el instante en que lasalida deja de seguir a la entrada. Este tiempo se debe por una parte al retardoentre la orden y el inicio del cambio de RON y, por otra, a la evolución gradualdel interruptor desde conducción a corte. La existencia de una constate detiempo τ hace que la tensión en bornes de CH esté retrasada un tiempo τrespeto a la tensión aplicada en la entrada del S&H.

Incertidumbre en el tiempo de apertura (Aperture jitter, Δtap). Es el margende variación del tiempo de apertura. Si la señal de control para pasar aretención la adelantamos en previsión de la existencia del tiempo de apertura,el único error de tiempo que queda es esta incertidumbre, que determina pues,el límite último de la máxima frecuencia de muestreo. Este parámetro esconsecuencia de ruido de la red de conmutación el cual modula la fase delcomando hola manifestándose en la variación de la señal analógica de entradaque es retenida.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 84. APERTURE JITTER

Suponiendo una señal de entrada senoidal vi(t) = VP senωt, el error debido a laincertidumbre en el tiempo de apertura es ΔV=(dvi/dt)Δtap. Si se quiere que elerror máximo sea menor que ½ LSB la frecuencia máxima de la señal deentrada será: fmax <1/[2n+1·π · Δtap].

Error de transferencia de carga (Charge transfer). Es la carga transferida através de capacidades parásitas al condensador de retención cuando seconmuta al estado de retención. Provoca un error de tensión ΔV=ΔQ/CH.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 85. INTERVALO DE RETENCIÓN

Pendiente (Droop Rate). Es el decremento (o incremento, dependiendo de lapolaridad de las corrientes) de la tensión de salida, debido al condensador dealmacenamiento, a las corrientes de fuga en el interruptor y a las corrientes de


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polarización del amplificador de salida. Esta deriva es tanto menor cuantomayor sea el condensador de retención.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 86. RAZÓN DE ATENUACIÓN DE PASO

Razón de atenuación del paso (Feedthrough Attenuation Ratio). Es elporcentaje del cambio de una señal senoidal de entrada que se mide en lasalida del S&H en el modo de retención. Es debido al acoplamiento capacitivo através del interruptor y depende de la amplitud y de la frecuencia de la entrada.Tiene importancia cuando un S&H sigue a un multiplexor analógico.

En esta fase el condensador CH se carga a la tensión de entrada, con untransitorio para el establecimiento final, que depende de la amplitud y formaconcreta de la señal de entrada. Las especificaciones suelen darse para uncambio en escalón de amplitud igual al fondo de escala.

Tiempo de adquisición (Acquisition time). Es el tiempo durante el que el S&Hdebe permanecer en el estado de muestreo, necesario para que la salidaalcance su valor final, dentro de una cierta banda de error, e incluye el retardoen la conmutación, el intervalo de subida (slewing interval) y el tiempo deestablecimiento en la adquisición (settling time). El tiempo de adquisiciónaumenta al hacerlo la capacidad del condensador de almacenamiento y, juntocon el tiempo de conversión del CAD, determina el tiempo empleado en cadacanal adquirido.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 87. RAZÓN DE ATENUACIÓN DE PASO

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 88. ARQUITECTURAS DE S&H

Describiendo la figura 88 tenemos:


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1: Similar al descrito inicialmente, S/H en bucle abierto y formado por dosseguidores de tensión. Para tener una buena exactitud los amplificadores A1 yA2 deben tener slew rates altos, tiempos de establecimiento rápidos, bajastensiones de offset y derivas ya que estos errores son acumulativos.

2: La realimentación completa de la salida a la entrada minimiza los errores enel modo de muestreo. El circuito tiene mayor exactitud pero una peor dinámica.

3: Tiene unas características similares al circuito 2. El interruptor quedaconectado a la masa virtual de A1 y CH es un condensador integrador. Laelección del condensador está sujeta a un compromiso entre exactitud yvelocidad: si CH es grande, aumenta su exactitud (influyen menos lascorrientes de fugas y la inyección de carga), pero para que se carguerápidamente al valor final interesa que CH sea pequeña.

EJEMPLOS

1)

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 89. EJEMPLO RETENEDOR DE ORDEN CERO SMP04 CON SUS CARACTERISTICAS

2)


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 90. EJEMPLO RETENEDOR DE ORDEN CERO CON SUS CARACTERISTICAS

La aplicación típica de los circuitos S/H es funcionando conjuntamente con unCAD. En algunos casos el S/H está integrado en el CAD. El tiempo mínimorequerido en el proceso de conversión es la suma del tiempo de apertura (tap) yel de adquisición (tad) del S/H más el tiempo de conversión del CAD (tconv).Teniendo en cuenta el teorema de Nyquist la máxima frecuencia de la señal deentrada viene dada por: fin < 1/2(tad + tap +tconv)

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 91. APLICACIÓN DEL RETENEDOR DE ORDEN CERO


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LECCIÓN 3 EL CONVERSOR ANALOGO DIGITAL (CAD)

Un convertidor analógico-digital (CAD) es un dispositivo que proporciona unasalida la cual representa digitalmente la tensión o corriente de entrada.

Básicamente la idea es comparar la entrada analógica con una señal (tensión ocorriente) de referencia.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 92. CONVERSORES A/D

Un convertidor analógico-digital (CAD) es un dispositivo que proporciona unasalida la cual representa digitalmente la tensión o corriente de entrada.Básicamente la idea es comparar la entrada analógica con una señal (tensión ocorriente) de referencia.

Si la entrada del convertidor se mueve dentro de su escala completa de valoresanalógicos y se toma la diferencia entre la entrada y la salida, se obtiene unafunción de error en forma de diente de sierra, denominada error decuantificación y es el error irreducible que resulta del proceso decuantificación.

Solo se puede reducir incrementando el número de estados de salida(resolución) del convertidor. Este error se denomina también “incertidumbrede cuantificación” o “ruido de cuantificación”.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 93. LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA IDEAL

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 94. ERROR DE CUANTIFICACIÓN

ESPECIFICACIONES


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DC:Error de offsetError de gananciaError de no linealidad diferencial (DNL)Error de no linealidad integral (INL)Error total

AC:

SNRENOBTHDSINADSFDR

Error de offset. Es el valor analógico de la diferencia entre la función detransferencia real y la ideal, en ausencia de otros errores (salvo el decuantificación). Su presencia implica que la primera transición no se produceexactamente en ½ LSB, de modo que la curva de transferencia estádesplazada horizontalmente.

Error de ganancia. Es la diferencia entre los puntos de mitad de escalón de lacurva de transferencia real y la ideal correspondiente a la salida digital de todo1, en ausencia de otros errores (salvo el de cuantificación).

Error de no linealidad integral (INL). Es la máxima diferencia entre la funciónde transferencia real y la ideal cuando los errores de cero y de ganancia sonnulos. Es un error que no se puede corregir. Se denomina “integral” porque esel error que se tiene en una determinada palabra de salida con independenciade las demás.

Error de no linealidad diferencial (DNL). Es la diferencia entre el ancho de unescalón real y el de uno ideal, que es 1 LSB. Si el DNL excede 1 LSB elconvertidor se puede hacer no monótono (la salida se hace más pequeña paraun incremento en la entrada) y el convertidor puede perder códigos.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 95. ERROR DE OFFSET Y DE GANANCIA

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 96. ERROR DE NO LINEALIDAD INTEGRAL(INL)


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 97. ERROR DE NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)

La exactitud (accuracy) viene especificada mediante el error total, que es elvalor máximo de la suma de todos los errores, incluido el de cuantificación, ypuede expresarse como error absoluto o como error relativo.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 98. ERROR TOTAL


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Relación señal-ruido (SNR). Es la relación entre el valor eficaz de la señal deentrada VIN (típicamente una señal senoidal) y el valor eficaz del ruido decuantificación, Vn. En decibelios se tiene SNR = 6,02xn + 1,76. Por ejemplopara un CAD de 12 bits la SNR teórica es aproximadamente 74 dB.

Cada bit extra adicional supone una mejora de aproximadamente 6 dB en laSNR. Ahora bien, si se desea aumentar la relación SNR a base de un mayornúmero de bits, hay que tener en cuenta que esto implica un mayor tiempo deconversión y, por lo tanto, un menor ancho de banda aceptable para la señal deentrada.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 99. RELACIÓN SEÑAL A RUIDO

El ruido que se tiene en un CAD es mayor que el ruido de cuantificación, por loque la relación señal ruido será menor que la calculada en la transparenciaanterior y por tanto la resolución efectiva, denominada número efectivo de bits(ENOB), será menor que n. Para una determinada entrada ENOB incluye tantoel ruido de cuantificación como la distorsión debida a la no-linealidad de sucaracterística estática. Este parámetro especifica el comportamiento dinámicode un CAD y disminuye con la frecuencia de la señal de entrada.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 100. NUMERO EFECTIVO DE BITS (ENOB)

THD (Distorsión armónica total)

Se define como la suma de la potencia de todos los armónicos de frecuenciasuperior a la frecuencia fundamental y la potencia del fundamental. El númerode armónicos que se considera para los cálculos de THD depende de laaplicación.

SINAD (Relación señal-ruido + Distorsión)

Es la relación de la señal de entrada a la suma de la distorsión armónica y elruido. Es el inverso de THD+N. Las especificaciones SINAD y THD+N son unabuena indicación de la respuesta dinámica del convertidor dado que incluyentanto el ruido como la distorsión.

Es la diferencia entre el valor máximo de la señal y el valor máximo de ladistorsión. Este parámetro es interesante cuando el CAD opera en entornosruidosos y se desea digitalizar señales de pequeño nivel.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 101. DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL (THD)

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 102. MARGEN DINÁMICO LIBRE DE SEÑALES ESPURIAS

La elección de la arquitectura más adecuada para cada aplicación estarácondicionada en muchos casos por cinco parámetros: resolución, velocidad,costo, alimentación y tamaño


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/TABLA 8. TIPOS DE CAD

En general los CAD de mayores resoluciones son más lentos, mientras que losCAD más rápidos consumen más. Los CAD sigma-delta son los que tienenresoluciones más altas y el consumo más bajo, salvo los CAD de doble rampacuyo consumo es aún menor.


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LECCIÓN 4 EL CONVERSOR DIGITAL ANALOGO (CDA)

La conversión digital-analógica es un procedimiento a través del cual un códigode entrada es transformado en una señal de tensión o de corriente unipolar obipolar de salida mediante una correspondencia entre 2n combinacionesbinarias posibles de entrada y 2n tensiones (o corrientes) discretas de salida,obtenidas a partir de una referencia de tensión o de corriente.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 103. EL COVERSOR DIGITAL A ANALOGO

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 104. LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA IDEAL

La figura 104 muestra la característica de transferencia ideal de un CDAunipolar. Es importante notar que tanto la entrada como la salida estáncuantificadas, es decir, un CDA de n bits (con una referencia fija) solo puedetener 2n posibles salidas analógicas.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/TABLA 9. TAMAÑO DE 1 LSB

La tabla 9 muestra el valor de un LSB para diferentes resoluciones y márgenesde tensión analógica. Vemos que se tienen valores de LSB inferiores a 1 mV.

Esto conlleva un cuidado especial en el diseño de la etapa deacondicionamiento previa, de forma que los diferentes errores (offset, derivas,ruido,…) no superen el valor del LSB. Tenga en cuenta por ejemplo que elruido Johnson de una resistencia de 2,2 kΩ a 25ºC, para un ancho de banda de10 kHz es de 600 nV.

Los convertidores más simples son los unipolares, cuya salida analógico es deuna sola polaridad. Sin embargo, los más empleados son los convertidoresbipolares, los cuales permiten realizar una representación digital de cantidadesque puedan tomar valores positivos o negativos. Hay dos tipos deconvertidores bipolares:

Bipolar con offset. Sólo cambia el bit de mayor peso (MSB), que ahora es 1para las cantidades positivas y 0 para las negativas. Es un código muy fácil derealizar y por ello es uno de los favoritos en CDA que acepten entradasbipolares, a pesar de que alrededor del valor cero tiene muchas transiciones debits.

Bipolar con signo. Las cantidades positivas van precedidas de un 0 y lasnegativas de un 1. La cantidad “cero” puede representarse indistintamente conun 1 o con un 0 a la izquierda. Las transiciones de bits alrededor de cero sonpocas, de modo que es un código interesante para representar cantidadespróximas a cero. Sin embargo se utiliza poco porque dificulta las operacionesaritméticas. Se utiliza en los CDA de los voltímetros digitales.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 105. CONVERTIDORES UNIPOLARES Y BIPOLARES

Las especificaciones DC o de continua tienen interés en aplicaciones demedida y control, operando con señales lentas y donde la temporización exactade la conversión no es generalmente importante. Las principalesespecificaciones en continua son los errores de offset, ganancia y de nolinealidad.

Error de offset. Es la diferencia entre la curva de transferencia real y la ideal,en ausencia de otros errores (salvo el de cuantificación) cuando la entradadigital es cero. Afecta por igual a todos los códigos de entrada. Se puedecorregir mediante calibración.

Error de ganancia. Es la diferencia entre los puntos de la curva real y la idealpara la entrada digital de fondo de escala, cuando el error de offset se haanulado. Se puede corregir mediante calibración.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 106. ESPECIFICACIONES DC

No linealidad integral (INL). Desviación máxima respecto a la línea que unelos extremos (cero y fondo de escala) de la curva característica del CDA,cuando los errores de cero y de ganancia son nulos. Se expresa comoporcentaje del fondo de escala, o como fracción de LSB. Es un error que no sepuede corregir.

No linealidad diferencial (DNL). Idealmente la diferencia en la salidacorrespondiente a dos códigos adyacentes es 1 LSB. La no linealidaddiferencial es una medida de la desviación con respecto a dicha situación ideal.Puede expresarse como una fracción de LSB o en forma porcentual respecto aFS. Si es mayor de 1 LSB la función de transferencia puede llegar a ser nomonotónica es decir puede llegar a ocurrir que la pendiente cambie de signo.Hoy en día una parte importante de los CDA comerciales garantizan lamonotoneidad de la característica de transferencia en un amplio margen detemperaturas de trabajo.

Las especificaciones AC son importantes cuando los convertidores son usadosen sistemas de muestreo y reconstrucción de señales. Las especificaciones ACmás importantes son:

Tiempo de establecimiento (Settling time, ts). Es el tiempo desde que seproduce un cambio en el código de entrada hasta que la señal de salida delCDA se mantiene dentro de ± ½ LSB (u otra tolerancia especificada) del valorfinal. Este tiempo está compuesto por un primer proceso de duración tddurante el cual la conmutación en tiempos desiguales de los interruptores delcircuito produce un efecto indeseable en la salida denominado “glitch”, uncambio de tensión con pendiente determinada por la rapidez de cambio del


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circuito (slew rate) y un proceso oscilatorio amortiguado alrededor del valor finalde la tensión o corriente de salida.

Slew rate. Es el cociente entre la tensión o corriente de plena escala y eltiempo de establecimiento requerido para alcanzar el valor de plena escalapartiendo del valor de cero. Se expresa en V/s.

Frecuencia de conversión (Conversión rate). Es la frecuencia máxima a laque se puede cambiar el código de entrada obteniendo la salidacorrespondiente. Generalmente suele ser menor que el inverso del tiempo deestablecimiento y se expresa en Hz o en muestras por segundo (S/s).

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 107. ESPECIFICACIONES AC


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 108. CONVERTIDOR R – 2R

Uno de los circuitos más empleados en los DACs es la red de resistencias enescalera R-2R de la figura 95. La corriente de salida, IOUT es la suma de las quefluyen a través de cada resistencia de valor 2R controlada por los distintos bits.

Cuando el extremo inferior de cada rama está a 0 voltios, al ir de izquierda aderecha la corriente se va dividiendo por 2 a cada nodo. Con esta disposiciónde interruptores dobles la carga que ve la fuente de tensión de referencia es R,con independencia de la palabra de entrada. Algunos modelos tienendisponible en un terminal la corriente de salida complementaria, es decir, lacorrespondiente a la palabra digital complementaria de la aplicada a la entrada.Si una de estas dos corrientes no se utiliza, hay que derivarla a masa.

La precisión obtenida en la fabricación de condensadores MOS con unarelación de valores determinada, permite fabricar actualmente CDA basados enredes de condensadores en vez de resistencias.

En los modelos con salida en corriente y resolución elevada, si se deseaobtener una salida en tensión mediante un AO externo, hay que tener cuidadoen la elección de AO, de forma que los errores de este sean lo menor posible.

Criterios de Selección: Resolución: 8, 10, 12, 14, 16, 18 bits Tipo de salida: V, I Tiempo de establecimiento: μs Tensión de referencia: Externa/Interna Interfaz bus de datos: Serie (I2C, SPI), Paralelo Número de canales: 1, 2, 3, 4, 8


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EJEMPLOS DE CDA:

El MAX 5520

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 109. MAX 5520

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 110. SALIDA UNIPOLAR


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 111. SALIDA BIPOLAR

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 112. ALIMENTACIÓN

APLICACIONES


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 113. APLICACIONES


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LECCIÓN 5 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que un equipo electrónico cuyafunción es el control o simplemente el registro de una o varias variables de unproceso cualquiera.

El objetivo básico de los "Sistemas de Adquisición de Datos"(S.A.D) es laintegración de los diferentes recursos que lo integran: Transductores dediferentes tipos y naturaleza, multiplexores, amplificadores, sample and hold,conversores A/D y D/A, microcontroladores para chequear variables (PH,humedad relativa, temperatura, iluminación, concentración, etc.) para unaposterior utilización de la misma ya sea con fines de control o medición.

A continuación se muestra la grafica de un SAD

FUENTE: http://www.monografias.com/trabajos17/sistemas-adquisicion-dato/sistemas-adquisicion-dato.shtml

FIGURA 114. DIAGRAMA GENERAL DE UN SAD


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SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SIN S/H)La figura 115 muestra un diagrama de bloques de un sistema de adquisiciónde datos multiplexado con AGP y CAD. Supongamos que se da tanto laconmutación de canal en el multiplexor como la ganancia del AGP seestablecen simultáneamente. Posteriormente se le da al CAD la orden deconversión. La máxima frecuencia de muestreo está limitada por el tiempo deconmutación del multiplexor (tmux), el tiempo de establecimiento del AGP(tagp) y el tiempo de conversión de CAD (tconv), como se muestra en la figura115. Para evitar errores de codificación la señal de entrada debe mantenerseconstante durante el tiempo de conversión. Suponiendo una señal de entradasinusoidal podemos calcular, igual que hicimos en la transparencia 17, lafrecuencia máxima de la señal de entrada. Por ejemplo suponiendo un CAD de12 bits con tcov= 20 μs, la máxima frecuencia está limitada a 4 Hz. Esto puedeser adecuado si la señal es continua, pero no para señales dinámicas.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/

FIGURA 115. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SIN S/H)

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (CON S/H)Añadiendo la función S/H al circuito anterior permite procesar señalesdinámicas sin incrementar la complejidad del sistema ya que el S/H puedeestar integrado en el CAD.


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En el esquema de la figura la temporización se realiza de forma que elmultiplexor y el AGP se activan una vez realizada la adquisición por parte delS/H.

FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 116. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (CON S/H)

APLICACIÓNLa figura 117 muestra el empleo de un S&H para minimizar el efecto de lospicos de tensión (gliches) que se producen en las transiciones del código deentrada de un CDA. El valor de estos picos depende de dicho código deentrada. Para minimizar estos picos, justamente antes de retener un nuevodato en el CDA el S&H es puesto en el estado de retención de forma que losgliches son aislados de la salida. Las transiciones de conmutación producidasen la salida del S&H no dependen del código y son fácilmente filtrables. Estatécnica se puede emplear a bajas frecuencias para mejorar las característicasde distorsión de los CADs.


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FUENTE: HTTP://WWW2.ATE.UNIOVI.ES/13996/FIGURA 117. APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

TARJETAS DE ADQUISICION DE DATOS DAQ

Las tarjetas DAQ son tarjetas insertables que permiten la entrada y salida dedatos del computador a otros aparatos, donde se conectan sensores, yactuadores, para interactuar con el mundo real. Los datos que entran y salenpueden ser señales digitales o análogas, o simplemente conteos deocurrencias digitales, tanto de entrada, como de salida. Figura 118

Las tarjetas se comportan como si fueran un puerto más en el computador, yposeen todo un protocolo y sistema de manejo, por lo que entender cadatarjeta, como su funcionamiento, al igual que cualquier instrumento, requiere detiempo y cuidado.

Existen tarjetas de alto desempeño, y de bajo. Las de alto son programables, yfacilitan altas ratas de manejo de información, pues son en cierta formainteligentes y suficientes, tal como un sistema Stand Alone, y por tanto nocomprometen mucho la velocidad y rendimiento del computador.


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FUENTE: WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 118. LAS TARJETAS DE ADQUSICIÓN DE DATOS DAQ

Las tarjetas de bajo desempeño requieren de un control directo delcomputador, y se ven limitadas por la velocidad de éste. El windows en ciertaforma es un sistema operativo que no trabaja en tiempo real, para operacionesdonde la rata de muestreo es muy alta, como en aplicaciones de audio, radar,vibraciones y video, aunque para aplicaciones de lentitud considerable esbueno, como en controles de hornos. En aplicaciones lentas Windows y tarjetassimples bastan porque los tiempos perdidos por el sistema de interrupciones deWindows (sea por mover el mouse o cualquier otra cosa) no afectancomparativamente.

Para aplicaciones de alta velocidad y tiempo real, se requiere de hardwareespecial, o sea tarjetas inteligentes, que se programen, y transfieran los datos amemoria, ya sea por rutinas de DMA (acceso directo a memoria), o por rutinasde interrupciones al procesador.

Las tarjetas como cualquier otro periférico, requiere de sus parámetros deprogramación, y hasta protocolos de comunicación, por lo que se requiere deun software Driver que maneje lo bajo de programación, y deje en la superficie,la posibilidad de programar aplicaciones con los beneficios de dichas tarjetas,de una forma sencilla.

COMUNICACIÓN A TRAVÉS DEL PUERTO SERIAL.

Se trasmite la información por un puerto que puede ser el COM1 o el COM2, deforma serial, ósea a través de un solo cable, y cada bit pasa uno tras otro a altavelocidad. Para la comunicación entre computadores se establece un protocolocomún para que la información sea entendida por ambos. Se debe definir eltamaño de los BUFFER para almacenar datos mientras se realiza lacomunicación. También se debe definir si hay Handshaking, el cual consiste en


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que el que recibe cuando valla a tener lleno el búfer de información mande unainstrucción (Si es por software es un comando <ctrl-S>, si es por hardware poruna línea) para detener la transmisión, y otra para reanudar la transmisión deinformación.

COMUNICACIÓN A TRAVÉS DE UN PUERTO DE GPIB.

EL GPIB (General Purpose Interface Bus ANSI/IEEE 488.1 y 488.2), es unpuerto diseñado por la Hewlett Packard, para establecer comunicación coninstrumentos de medición. Muchos de los instrumentos como son Balanzas,Osciloscopios, multímetros y equipos de tipo “Stand Alone” (que no requierende un computador para funcionar, son independientes) cuentan con este tipode puerto.

COMUNICACIONES DINÁMICAS ENTRE PROGRAMAS DE WINDOWSDDE.

Si se tiene una base de datos abierta, es posible accesar datos de esta, yusarlos y viceversa, lo que sirve para una actualización dinámica.


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CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN DEVISUALIZACIÓN DINAMICA

LECCIÒN 1 EL TUBO DE RAYOS CATODICOS (TRC)

TUBO DE RAYOS CATODICOS

Su función es generar el haz de electrones, posteriormente se acelera este hazy se desvía para crear la imagen; contiene además una pantalla de fósforodonde el haz de electrones llega a ser visible.

El tubo de rayos catódicos cuenta con un cátodo que calentado emiteelectrones, posteriormente estos pasan por el ánodo de aceleramiento pormedio de un pequeño hueco en la rejilla de control. La rejilla de control permitelimitar la cantidad de corriente de cátodo. Se encuentra ubicadoposteriormente un ánodo de enfoque, el cual antecede al ánodo acelerador, elánodo acelerador suministra energía al haz de electrones para pasar hacia lapantalla fosforescente.

- DEFLEXION ELECTROSTATICA

La deflexión (D) sobre la pantalla fluorescente esta dada por:

D =dEa

LIdEd

2

Donde:D: deflexión sobre la pantalla fluorescente (metros).L: distancia a partir del centro de las placas de deflexión hasta la pantalla(metros).Id: longitud efectiva de las placas de deflexión.D: distancias entre las placas.

Esta expresión muestra que si se tiene un voltaje dc (Ed), la desviación del hazde electrones sobre la pantalla es proporcional al voltaje de deflexión (Ea), lavariación sobre la pantalla seguirá las variaciones del voltaje de deflexión deuna manera lineal.Se define la sensibilidad de deflexión (S), en un tubo de rayos catódicos comola desviación sobre la pantalla (en metros), por voltaje de deflexión.

S =Ed

D

V

m =dEa

LId

2


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El factor de deflexión (G) es:

G =S

1 =LId

dEa2 =

m

V

Este valor no depende del voltaje de deflexión; los rangos de los valores defactores de deflexión son 10 V /cm – 100 V/cm son sensibilidades de 1.0 mm/Vy 0.1 mm/V .

- ACELERACION DE POSTDEFLEXIÓN

Dependiendo de la cantidad de energía que se transfiera al haz de electronesse tendrá una cantidad de luminosidad proporcionada por la pantalla de fósforoLo ideal es tener un equipo rápido, para esto se debería acelerar el haz deelectrones a la máxima velocidad, pero si se cuenta con un haz de electronesdemasiado veloz se hace más difícil reflectar el haz.Para esto usualmente los osciloscopios inicialmente aceleran el haz a unavelocidad relativamente baja, el haz se reflecta y posteriormente se reflectahasta la velocidad final deseada. A estos tubos se les conoce como tubos deaceleración postdeflexión

- PANTALLAS PARA LOS TUBOS DE RAYOS CATODICOS

La superficie interior en la pantalla cuenta con fósforo, este recibe la energíacinética de los electrones y emite energía en el espectro visible a frecuenciabaja. Esta característica se denomina fluorescencia, estos materiales ademástienen la capacidad de continuar emitiendo luz posteriormente a que la fuentede excitación se suspende, esta propiedad se conoce como fosforescencia.

La luminancia indica la intensidad de la luz emitida por la pantalla del CRT, estadeterminada por el número de electrones que chocan contra la pantalla en unsegundo, también depende de la energía con la que los electrones golpean lapantalla, estando sujeto al potencial de aceleración; la luminancia variadependiendo del tiempo con que el haz golpea un área determinada delfósforo. Según las características físicas del fósforo se tendrá una variación enla luminancia.

Es importante mantener baja la intensidad del haz de electrones de tal formaque se proteja el instrumento de un daño permanente en el fósforo porquemadura.


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FUENTE: PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 119. CAÑON DE UN TRC

El cañón electrónico contiene el cátodo emisor, reja de control y electrodosaceleradores y de enfoque del haz electrónico, designados generalmente comosistema de lentes electrónicas.

Con la excepción de los cañones electrónicos en los tubos de cámara, casitodos los cañones se basan en el principio de dos lentes consistentes en unafuente de electrones termoiónicos, una primera lente, generalmenteelectrostática y una segunda lente que puede ser electrostática, magnética ouna combinación de ambas

En la primera lente se encuentra el cátodo, la reja de control y el primer ánodo.El cátodo es de caldeo indirecto y tiene la forma mostrada en la figura 120. Enel interior de un manguito cilíndrico de níquel se encuentra el filamentocalefactor y el cátodo, es decir la superficie emisora propiamente dicha, en undisco sobre la cara plana del cilindro en dirección a la pantalla.

FUENTE: PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 120. ESTRUCTURA DEL CÁTODO EN UN TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

La reja de control no es de la forma habitual que se encuentra en los triodos uotras válvulas de vacío. En este caso es un cilindro metálico, con un pequeñoorificio a través del que pueden pasar los electrones. Esta configuración ayudaa reducir el área efectiva del cátodo a la vez que permite la configuración delhaz electrónico en esa zona, como consecuencia del campo eléctrico entre la


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reja y el cátodo. A continuación de la reja y separada de ésta por un pequeñoespacio, se localiza el primer ánodo en el que mediante paredescuidadosamente ajustadas se controla y configura el haz electrónico hacia lapantalla. La estructura de la primera lente así configurada se muestraesquemáticamente.

FUENTE:PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 121. ESTRUCTURA ESQUEMÁTICA DE LA PRIMERA LENTE

En ausencia de campos eléctricos, los electrones abandonan el cátodo conbaja velocidad y forman una nube electrónica o carga de espacio en la zonaentre el cátodo y la reja.

Esta carga de espacio actúa como repulsor para los nuevos electronesemitidos por el cátodo y se alcanza una condición de equilibrio. Si se aplica unvoltaje positivo, relativamente elevado, al primer ánodo, se establece un campoeléctrico en el espacio a su alrededor que arrastra a los electrones a través delorificio en el cilindro de la reja de control, conformándose un haz electrónico desección circular y en la forma aproximada que se indica en la figura 121. Lacurvatura longitudinal de los bordes del haz está determinada por la distanciaentre el primer ánodo y la reja de control, así como por el voltaje de este último.Los electrones del haz convergen en un punto en el interior del cilindro de laprimera lente y luego nuevamente se separan. Este punto, situado en el eje delcañón electrónico y del tubo de rayos catódicos se designa como punto decruce y puede considerarse que actúa como un cátodo virtual de muypequeñas dimensiones. La cantidad de electrones que pasan hacia el primeránodo depende del voltaje aplicado a la reja de control que, si essuficientemente negativo, impedirá el paso de cualquier electrón hacia lapantalla. La perforación o ventana en el primer ánodo sirve para conformar elhaz electrónico, junto con la segunda lente, en la región entre éstas y lapantalla, a fin de que nuevamente converja en un punto sobre la pantalla.


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La posición del punto de cruce puede variar como consecuencia de los voltajesdel primer ánodo y de la reja de control, así como de la densidad del hazelectrónico en la zona del primer ánodo y tiene efectos sobre el enfoque delhaz en la pantalla. Una forma de ajustar el enfoque de la imagen es, porconsecuencia, variar el voltaje del primer ánodo.


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LECCIÒN 2 DEFLEXION HORIZONTAL Y VERTICAL

SISTEMA DE DEFLEXIÓN VERTICAL

Este sistema en su salida debe tener una señal amplificada del nivel apropiado,con la mínima distorsión posibleEn la figura 122, se ilustran los componentes de un sistema completo dedeflexión vertical.

FUENTE:PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 122. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DEFLEXIÓN VERTICAL

El atenuador de entrada establece la sensibilidad del osciloscopio,proporcionando diferentes valores al preamplificador vertical. Existen diversasconfiguraciones de atenuadores. Una de las configuraciones empleada constade un divisor resistivo conectado a un amplificador con una capacitancia deentrada de 10 pF, como se ilustra en la figura 123.


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FUENTE:PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 123. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DEFLEXIÓN VERTICAL

Esta configuración tiene una caída a frecuencias altas causada por lacapacitancia en paralelo del amplificador vertical.

Para mejorar la respuesta en alta frecuencia se emplean atenuadores condivisores de voltaje resistivos y capacitivos como se muestra en la figura 124.

FUENTE:PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 124. ATENUADOR CON DIVISOR RESISTIVO Y CAPACITIVO


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Esta configuración tiene el nombre de atenuador compensado. En instrumentosde frecuencia mayores a 100 Mhz, se emplean divisores de entrada aun máscomplejos; en estos la atenuación se divide entre la entrada y la salida delpreamplificador de deflexión vertical. Gran número de osciloscopios tienen uncapacitor conmutable de acoplamiento. Este condensador de acoplamiento seelimina en la medición DC.

El amplificador vertical del osciloscopio tiene una configuración push – pull,donde además de proporcionar ganancia de voltaje debe tener una gananciade corriente, este amplificador trabaja con amplificadores clase A de altacorriente de realimentación.

SISTEMA DE DEFLEXIÓN HORIZONTAL

Este sistema esta conformado por un generador de base de tiempo, quecontrola la velocidad con la que se barre el haz en la superficie del tubo derayos catódicos (CRT) y se ajusta desde el panel frontal. Cuenta además conun circuito de disparo, este asegura que el barrido horizontal se inicie en elmismo punto que la señal de entrada vertical. Se tiene además un amplificadorhorizontal, su función es la amplificación de la amplitud de señalesprovenientes del generador de barrido.

El generado de barrido proporciona voltajes de rampa lineales que sonalimentados al amplificador horizontal. Para lograr tener barridos variables enperiodo de tiempo se emplean capacitares conmutados y corrientes variables.El barrido a realizar se inicia únicamente después de recibir un pulso dedisparo que viene del circuito de disparo.

Cuando se completa el barrido, el capacitor se descarga mediante un transistorretornando su voltaje a cero.

La figura 125 muestra la relación existente entre los pulsos de disparo y lageneración del barrido.

El barrido no se disparará, hasta que el barrido más el tiempo de espera seanmenor que el periodo de la entrada. Algunos osciloscopios cuentan con dosbases de tiempo, generalmente se sincronizan de manera tal que una base detiempo retarde el disparo de la segunda base. La base de tiempo retardada sedispara con la señal de entrada, el barrido se inicia inmediatamente despuésdel tiempo de retardo. También es utilizado el sistema de barrido alternado,donde un generador de base de tiempo o principal sincroniza la deflexión,


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entonces el trazo tiene un movimiento vertical y se presenta la porciónretardada.

FUENTE:PERSONALES.UNICAN.ES/PEREZVR/PDF/TUBOS%20DE%20RAYOS%20CATODICOS.PDFFIGURA 125. RELACIÓN ENTRE LOS PULSOS DE DISPARO Y LA GENERACIÓN DE BARRIDO

Se emplea también la conmutación de la velocidad de barrido después deltiempo de retardo. La porción inicial de la onda es visible a una velocidad debarrido lenta, y al tiempo retardado la velocidad de barrido cambiarápidamente. Se emplea este método cuando es difícil o imposible obtener unpunto de disparo estable, solo se requiere un barrido para presentar lasporciones lenta y retardada del trazo.


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LECCION 3 INSTRUMENTACIÓN PARA LAS MEDICIONES EN ELDOMINIO DEL TIEMPO

EL OSCILOSCOPIO

El osciloscopio es un instrumento que traza una grafica de una señal eléctrica,en la mayoría de las aplicaciones, esta gráfica muestra como cambia una señalcon el tiempo, el eje vertical (Y) representa el voltaje, y el eje horizontal (X),representa el tiempo.

Esta representación gráfica nos informará las siguientes características de laseñal.

- Valores de tiempo y voltaje de una señal.- La frecuencia de la señal.- La frecuencia con la que esta ocurriendo una porción particular de la

señal con respecto a otras secciones de la señal- El distorcionamiento de la señal debido al mal funcionamiento de un

componente.- Que parte de una señal es de corriente continua (CC) y que parte

corriente alterna (CA).- Que parte es ruido, y si el ruido cambia con el tiempo.

Un osciloscopio mide ondas de voltaje. Un ciclo de una onda es la porciónde esta que se repite. Los contornos de una forma de onda nos daninformación acerca de la señal. Si se observa un cambio en la partesuperior de una forma de onda, es porque el voltaje permaneció constante.Si se observan líneas rectas y diagonales indican un cambio lineal (es deciraumento o disminución de voltaje a una velocidad estable). Si se observanángulos agudos son debidos a cambios repentinos en el voltaje de la señal.

TIPOS DE ONDAS

- ONDAS SINUSOIDALES

Es la forma de onda fundamental. El voltaje de la red eléctrica varía comouna onda sinusoidal. Las señales de test producidas por los circuitososciladores de un generador de señal son frecuentemente ondassinusoidales.La onda sinusoidal amortiguada es un caso especial de una señal queoscila, pero que disminuye con el tiempo.En la figura 126 se muestra las ondas sinusoidales y sinusoidalesamortiguadas.


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FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 126. ONDA SINUSOIDAL Y SINUSOIDAL AMORTIGUADA

ONDAS CUADRADAS Y RECTANGULARES

En las ondas cuadradas el voltaje aumenta y disminuye a intervalos iguales.Es empleada esta forma de onda en circuitos digitales como señal desincronismo de reloj. También se utiliza para verificar amplificadores. Si elfuncionamiento del amplificador es optimo, este aumentará la amplitud de laonda cuadrada con una mínima distorsión.

La onda rectangular es similar a la onda cuadrada, con la diferencia de quelos tiempos de subida y bajada no son de igual longitud, tal como seobserva en la figura 127.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 127. ONDA CUADRADA Y ONDA RECTANGULAR

ONDAS DIENTE DE SIERRA Y TRIANGULARES

Son empleadas en circuitos que controlan voltajes linealmente, como elbarrido horizontal de un osciloscopio analógico o la exploración de la trama


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de un televisor. Las transiciones entre niveles de voltaje de estas ondascambian a una velocidad constante. Estas tensiones se llaman rampas. Suscaracterísticas se observan en la figura 128.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 128. ONDA DIENTE DE SIERRA Y TRIANGULAR

ONDAS ESCALÓN Y PULSOS

Estas señales ocurren de forma no periódica, se denominan señalestransitorias. La onda escalón indica un cambio repentino en el voltaje,similar a cuando se enciende un interruptor. La señal de pulso tambiénindica un cambio repentino en el voltaje con un aumento y disminuciónrápida, similar al cambio de voltaje que se tendría si se encendiera yapagara un interruptor. Un pulso también es la representación de un bit deinformación. Una agrupación de pulsos se conoce como tren de pulsos. Enun ordenador sus componentes se comunican a través de pulsos.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 129. ONDAS ESCALÓN Y PULSOS

- SEÑALES PERIÓDICAS Y NO PERIÓDICAS-


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Si una señal es repetitiva a través del tiempo es periódica, si por el contrariola señal cambia constantemente es no periódica.

- SEÑALES SINCRONÍAS Y ASÍNCRONAS

Si existe entre las dos señales una relación de tiempo las señales seránsincronías. Dentro de un ordenador las señales de reloj datos y direcciónson sincronías. Si por el contrario entre las señales no existe una relaciónde tiempo la señal es asíncrona.

MEDIDAS DE FORMA DE ONDA

- FRECUENCIA Y PERIODO

Si la señal se repite, tiene una frecuencia, esta equivale al número de vecesque la señal se repite en un segundo, ciclos por segundo, se mide en hertz(Hz). El periodo corresponde a la medida en tiempo que tarda la señal encompletar un ciclo. La relación entre frecuencia y periodo es inversa. Laseñal de la figura 5 tiene una frecuencia de 3 Hz y un periodo de 1/3segundos.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 130. FRECUENCIA Y PERIODO DE UNA SEÑAL

- VOLTAJE


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El voltaje es una variación en el potencial eléctrico entre dos puntos en uncircuito. Normalmente se realiza la medición desde el pico máximo de laseñal al pico mínimo (voltaje pico a pico).

- AMPLITUD

Es definido como la cantidad de voltaje entre dos puntos de un circuito.Normalmente expresa el voltaje máximo de una señal medido desde tierra,o cero voltios.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 131. AMPLITUD DE UNA SEÑAL PERIÓDICA

- FASE

El desplazamiento de fase de dos señales describe la diferencia en tiempoentre dos señales similares. En la figura 7, la forma de onda que simbolizala corriente se dice que esta 90 grados desfasada con la forma de ondadenominada voltaje.


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FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 132. FASE ENTRE DOS SEÑALES PERIÓDICAS

TÉCNICAS DE MEDIDA EN OSCILOSCOPIOS

Las dos medidas básicas que se pueden realizar con un osciloscopio son elvoltaje y el tiempo, al ser medidas directas.Algunos osciloscopios digitales poseen un software interno que permite realizarlas medidas de forma automática. Sin embargo, si se aprende a realizarmedidas de forma manual, estará capacitado para chequear las medidasautomáticas que realiza un osciloscopio digital.

LA PANTALLALa figura 133 representa la pantalla de un osciloscopio. Se debe notar queexisten unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como enhorizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre doslíneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división.

Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales delmismo tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta.En las líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ócuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes iguales (utilizadas comoveremos más tarde para afinar las medidas)


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FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 133. PANTALLA DE OSCILOSCOPIO

Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100%para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mideentre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopiostambién visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada divisiónvertical y cuantos segundos representa cada división horizontal.

MEDIDA DE VOLTAJESGeneralmente cuando se habla de voltaje realmente expresa la diferencia depotencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Peronormalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios) y entoncesse simplifica hablando del voltaje en el punto A ( cuando en realidad es ladiferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden tambiénmedirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muyimportante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltajeestamos midiendo.El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otrasmedidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, lade la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden sercomplicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes esempezar por el voltaje.


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FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 134. VOLTAJE PICO DE UNA SEÑAL

En la figura 134 se ha señalado el valor de pico Vp, el valor de pico a pico Vpp,normalmente el doble de Vp y el valor eficaz Vef ó VRMS (root-mean-square, esdecir la raíz de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado)utilizada para calcular la potencia de la señal CA.

Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente setrata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en lapantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontalpodemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida másprecisa. (Recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo querepresente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximoespacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobreel conmutador del amplificador vertical.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 135. MEDICIÓN DE VOLTAJE POR MEDIO DEL OSCILOSCOPIO

Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar lasmedidas de tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal.Basicamente el cursor son dos lineas horizontales para la medida de voltajes ydos lineas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar


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individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automática enla pantalla del osciloscopio.

MEDIDA DE TIEMPO Y FRECUENCIAPara realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio.Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida ybajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realizacalculando la inversa del periodo. Al igual que ocurria con los voltajes, lamedida de tiempos será más precisa si el tiempo objeto de medida ocupa lamayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de labase de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamientovertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida másprecisa.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 136. MEDICIÓN DEL TIEMPO Y LA FRECUENCIA

MEDIDA DE TIEMPOS DE SUBIDA Y BAJADA EN LOS FLANCOSEn muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, enparticular los tiempos de subida ó bajada de estos.Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida ybajada. El tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivelalto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulsoalcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Esto elimina lasirregularidades en las bordes del impulso. Esto explica las marcas que seobservan en algunos osciloscopios (algunas veces simplemente unas líneaspunteadas).

La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Paraconvertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el usode los mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado


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el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre elconmutador del amplificador vertical y el y el mando variable asociado hastaque la amplitud pico a pico del pulso coincida con las líneas punteadas (ó lasseñaladas como 0% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo que existe entreque el impulso corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando elconmutador de la base de tiempos para que dicho tiempo ocupe el máximo dela pantalla del osciloscopio.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 137. MEDICIÓN DE LOS FLANCOS Y TIEMPOS DE SUBIDA

MEDIDA DEL DESFASE ENTRE SEÑALESLa sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y,que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la únicaque podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestroosciloscopio).El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfaseindica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra(tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que elosciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfaseserá indirecta.

Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implicaintroducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por elcanal horizontal (el II). (Este método solo funciona de forma correcta si ambasseñales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denominafigura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine


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Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos señales, así como surelación de frecuencias observando la figura 138.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 138. FIGURAS DE LISSAJOUS


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LECCIÒN 4 INTRODUCCIÓN PARA LAS MEDICIÓNES EN DOMINIODE LAS FRECUENCIA

EL ANALIZADOR DE ESPECTRO

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN ANALIZADOR DE ESPECTRO

La función del analizador de espectro consiste en, teniendo una señal complejavisualizar en un tubo de rayos catódicos las frecuencias de las armónicas quecomponen la señal.

Se observará un bastón principal de mayor amplitud que corresponde a lacomponente fundamental, y bastones a la derecha que son proporcionales a laamplitud de la armónica respectiva.

El analizador de espectro permite realizar mediciones del índice de modulaciónde AM y FM y determinan sus componentes en frecuencia, además de hacermediciones de ruido

El diagrama de bloques del analizador de espectro se muestra en la figura 139.

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 139. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ANALIZADOR DE ESPECTRO.

La señal de entrada después de pasar por el atenuador entra a un filtropasabajos, este elimina la imagen de entrada la cual representa la banda defrecuencias de 800 a 1100 Mhz. Posteriormente se ubica un primer mezclador


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de señal que se conecta a un oscilador de frecuencia local, este se sintonizacon un diodo Varactor.

El monitor del analizador de espectro es logarítmico, se encuentra endecibeles, generalmente dBm. Necesitándose entonces un amplificadorlogarítmico.

Generalmente el monitor logarítmico tiene de 60 a 90 db, requiriéndose entre 6y 9 amplificadores logarítmicos en circuitos integrados. Este amplificadortambién proporciona la ganancia del analizador.

La figura 140 muestra una señal típica visualizada por el analizador deespectro se puede observar las componentes de la señal en diferentes valoresde frecuencia

FUENTE HTTP://USUARIOS.IPONET.ES/AGUSBO/OSC/OSC_5.HTMFIGURA 140. DIAGRAMA DE UNA SEÑAL TÍPICA CON SU COMPONENTE PRINCIPAL Y

FUNDAMENTALES.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Y CLASIFICACIÓN

1. Analizadores de espectro de tiempo real o multicanal

Esta compuesto por una serie de filtros pasabanda con frecuencia centralcorrida, de esta manera cada filtro permitirá el paso de una banda, elposterior dejará pasar la banda siguiente y así sucesivamente. Posterior acada filtro se ubica un detector y un filtro pasabajos. Si la señal analizadacuenta con componentes en cada uno de los filtros pasabanda, en lapantalla se mostrará una señal vertical.

La resolución dependerá del ancho de banda de cada filtro (a menor anchode banda mayor resolución), si se quiere tener un analizador con una buena


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resolución se necesita un gran número de filtros, por tal razón la banda defrecuencia a analizar no puede ser muy grande. Se emplea este tipo deanalizador para señales con frecuencias bajas.

2. Analizadores de espectro de sintonía barrida

Cuentan con solo un filtro pasabanda pero con una frecuencia central quees móvil, permitiendo esto que la frecuencia sea desplazada a través de ungenerador de barrido.

Los analizadores de espectro cuentan con un SCAN que dan la frecuenciapor división (Hz, Khz, o Mhz por división).

Los analizadores de espectro tienen la capacidad adicional de presentarseñales de niveles altos y bajos en forma simultánea, esta capacidad seconoce como rango dinámico, presentado en db. La señal de entrada alanalizador cuenta con componentes armónicas con diferentes frecuencias yamplitudes, se debe por lo tanto amplificar las señales débiles y fuertes almismo tiempo. Cuando se busca amplificar lo suficiente para detectarseñales pequeñas, es posible que se saturen las señales fuertes. Se buscaque la ganancia del amplificador sea variable en función de la amplitud de laseñal recibida, amplificando más las señales débiles que las fuertes. Elrango dinámico consiste en la capacidad de presentar niveles altos y bajossimultáneamente. El empleo de amplificadores logarítmicos permiteconseguir una ganancia variable. Se utilizan entonces 2 escalas verticalesuna lineal (LIN) y otra logarítmica (LOG).


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LECCION 5 INTRODUCCIÒN A LA INSTRUMENTACIÒN VIRTUAL

El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso del computadorpersonal (PC) como "instrumento" de medición de tales señales comotemperatura, presión, caudal, etc.

Es decir, el PC comienza a ser utilizado para realizar mediciones de fenómenosfísicos representados en señales de corriente (Ej. 4-20mA) y/o voltaje (Ej. (0-5Vdc). Sin embargo, el concepto de "instrumentación virtual" va más allá de lasimple medición de corriente o voltaje, sino que también involucra elprocesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de losdatos e información relacionados con la medición de una o varias señalesespecíficas. Es decir, el instrumento virtual no se conforma con la adquisiciónde la señal, sino que también involucra la interfaz hombre-máquina, lasfunciones de análisis y procesamiento de señales, las rutinas dealmacenamiento de datos y la comunicación con otros equipos.

Veamos un ejemplo; el osciloscopio tradicional tiene una funcionalidad yapredefinida desde la fábrica donde lo diseñan, producen y ensamblan. Es decir,la funcionalidad de este tipo de instrumento es definida por el fabricante delequipo, y no por el usuario mismo. El término "virtual" nace precisamente apartir del hecho de que cuando se utiliza el PC como "instrumento" es elusuario mismo quién, a través del software, define su funcionalidad y"apariencia" y por ello decimos que "virtualizamos" el instrumento, ya que sufuncionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no por elfabricante.Para construir un instrumento virtual, sólo requerimos de un PC, una tarjeta deadquisición de datos con acondicionamiento de señales (PCMCIA, ISA, XT,PCI, etc.) y el software apropiado, los tres (3) elementos clave en laconformación de un instrumento virtual, teniendo un chasis deacondicionamiento de señales como elemento opcional.

Decimos que el "acondicionamiento de señales" es opcional, porquedependiendo de cada señal y/o aplicación, se puede o no requeriramplificación, atenuación, filtraje, aislamiento, etc. de cada señal. Si la señalestá en el rango de los +/- 5Vdc y no se requiere de aislamiento o filtraje, lamisma puede ser conectada directamente la tarjeta de adquisición de datos.

En el instrumento virtual, el software es la clave del sistema, a diferencia del


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instrumento tradicional, donde la clave es el hardware. Con el sistema indicadoanteriormente, podríamos construir un osciloscopio "personalizado", con lainterfaz gráfica que uno desee, agregándole inclusive más funcionalidad. Sinembargo, este mismo sistema puede también ser utilizado en la medición detemperatura, o en el control de arranque/parada de una bomba centrífuga. Esallí donde radica uno de los principales beneficios del instrumento virtual, suflexibilidad. Este instrumento virtual no sólo me permite visualizar la onda, sinoque a la vez me permite graficar su espectro de potencia en forma simultánea.

Para finalizar, la siguiente tabla (Tabla 10) nos indica algunas de las principalesdiferencias entre el instrumento convencional o tradicional, y el instrumentovirtual:

Instrumento Tradicional Instrumento VirtualDefinido por el fabricante Definido por el usuarioFuncionalidad específica, conconectividad limitada.

Funcionalidad ilimitada, orientado aaplicaciones, conectividad amplia.

Hardware es la clave. Software es la claveAlto costo/función Bajo costo/función, variedad de

funciones, reusable.Arquitectura "cerrada" Arquitectura "abierta".Lenta incorporación de nuevastecnología.

Rápida incorporación de nuevastecnologías, gracias a la plataformaPC.

Bajas economías de escala, altocosto de mantenimiento.

Altas economías de escala, bajoscostos de mantenimiento.

FUENTE: WWW.NI.COM/LABVIEWTABLA 10. INSTRUMENTO TRADICIONAL Vs INSTRUMENTO VIRTUAL

La flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reusabilidad, lapersonalización de cada instrumento, la rápida incorporación de nuevastecnologías, el bajo costo por función, el bajo costo por canal, etc. son algunosde los beneficios que ofrece la instrumentación virtual.

La instrumentación virtual puede también ser implementada en equipos móviles(laptops), equipos distribuidos en campo (RS-485), equipos a distancia(conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos industriales (NEMA 4X, etc.).Existe una tarjeta de adquisición de datos para casi cualquier bus o canal decomunicación en PC (ISA, PCI, USB, serial RS-232/485, paralelo EPP,PCMCIA, CompactPCI, PCI, etc.), y existe un driver para casi cualquier sistemaoperativo (WIN 3.1/95/NT, DOS, Unix, MAC OS, etc.).


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FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 141. INSTRUMENTOS VIRTUALES EN LA INDUSTRIA

Comparación del instrumento virtual versus el tradicional las técnicas utilizadasnormalmente para evaluar las características de medición de un multímetrodigital (DMM) pueden ser utilizadas para evaluar las características demedición de un instrumento virtual (VMM). Las características se encuentranen la tabla 11.

Al estudiar profundamente la configuración de los sistemas de adquisición dedatos modernos DAQ (Data Acquisition System), basados en equipos PC(Personal Computer), se aprecia que una de las partes que componen dichossistemas, es el software quien controla y administra los recursos delcomputador, presenta los datos, y participa en el análisis.

Viéndolo de este modo, el software es un tópico muy importante que requierede especial cuidado. Para los sistemas DAQ se necesita de un software deinstrumentación, que sea flexible para futuros cambios, y preferiblemente quesea de fácil manejo, siendo lo mas poderoso e ilustrativo posible.

DMM VMM con tarjetaespecializada

VMM con tarjetade propósitogeneral


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Hardware utilizado HP 34401 A DMM DAQCard 4050 PCI-MIO-16XE-10No. de Canales 1 1 16 (Diferencial)Conversión AC True RMS True RMS True RMS (por

software)Resolución(convertidor de 16-bits)

61/2 - 41/2 dígitos 51/2 dígitos 41/2 dígitos

Rango de entrada(ACV)

100 mV - 750 V 20 mV - 250 V 100mV - 250 V (conacondicionamientoSCXI)

Sensibilidad (ACV) 0.1 uV 0.1 uV 1.5 uVRango de Entrada(DCV)

100 mV - 1000 V 20 mV - 250 V 100 mV - 250 V

Sensibilidad (DCV) 0.1 uV 0.1 uV 1.5 uVNMRR 60 dB 80 dB variable (80-120 dB)CMRR 70 dB (AC), 140 dB

(DC)90 dB (AC), 30 dB(DC)

variable (80-120 dB)

Velocidad demedición(lecturas/seg.)

5-1 K lecturas/seg 10, 50 , 60 Klecturas/seg

100 K lecturas/seg

FUENTE: WWW.NI.COM/LABVIEWTABLA 11. INSTRUMENTO TRADICIONAL Vs INSTRUMENTO VIRTUAL

Programas y lenguajes de programación que cumplan con lo dicho existen engran número en el mercado actual, como por ejemplo el Visual Basic, el C, elC++, el Visual C++, Pascal, LabWindows CVI, Labview, y muchos otrosconfeccionados específicamente para las aplicaciones que los necesiten.

VENTAJAS DE LabVIEW COMO SOFTWARE DE INSTRUMENTACIÓNVIRTUAL

Es muy simple de manejar, debido a que está basado en un nuevo sistemade programación gráfica, llamada lenguaje G.

Es un programa enfocado hacia la instrumentación virtual, por lo que cuentacon numerosas herramientas de presentación, en gráficas, botones,indicadores y controles, los cuales son muy esquemáticos y de granelegancia. Estos serían complicados de realizar en bases como c++ dondeel tiempo para lograr el mismo efecto sería muchas veces mayor.


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Es un programa de mucho poder donde se cuentan con libreríasespecializadas para manejos de DAQ, Redes, Comunicaciones, AnálisisEstadístico, Comunicación con Bases de Datos (Útil para unaautomatización de una empresa a nivel total).

Con este las horas de desarrollo de una aplicación por ingeniero, se reducena un nivel mínimo.

Como se programa creando subrutinas en módulos de bloques, se puedenusar otros bloques creados anteriormente como aplicaciones por otraspersonas.

Es un programa que permite pasar las aplicaciones entre diferentesplataformas como Macintosh y seguir funcionando.

INTRODUCCION AL LABVIEW

El LabView es un lenguaje de programación de alto nivel, de tipo gráfico, yenfocado al uso en instrumentación. Pero como lenguaje de programación,debido a que cuenta con todas las estructuras, puede ser usado para elaborarcualquier algoritmo que se desee, en cualquier aplicación, como en análisis,telemática, juegos, manejo de textos, etc.

Cada programa realizado en LabView será llamado Instrumento Virtual (VI), elcual como cualquier otro programa ocupa espacio en la memoria delcomputador.

USO DE LA MEMORIA:La memoria usada la utiliza para cuatro bloques diferentes como son:

EL PANEL FRONTAL: Donde se ven los datos y se manipulan y controlan. EL DIAGRAMA DE BLOQUES: En este se aprecia la estructura del

programa, su función y algoritmo, de una forma gráfica en lenguaje G, dondelos datos fluyen a través de líneas.

EL PROGRAMA COMPILADO: Cuando se escribe en LabView, el algoritmoescrito de forma gráfica no es ejecutable por el computador, por tanto,LabView lo analiza, y elabora un código asembler, con base en el códigofuente de tipo gráfico. Esta es una operación automática que ocurre alejecutar el algoritmo, por tanto no es importante entender como sucede esto.Lo que si es algo para apreciar, es que en este proceso, se encuentran loserrores de confección que son mostrados en una lista de errores, donde con


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solo darle doble click al error, se aprecia en el diagrama de bloques, dondeocurre éste, para su corrección.

LOS DATOS: Como el algoritmo maneja datos, requiere de un espacio enmemoria para estos, lo que hace tomar en cuenta que el computador usadodebe tener la memoria suficiente para manejarlos. Por ejemplo, cuando seusan grandes matrices en calculos se puede requerir de mucho espacio.

Nota: A un programa VI terminado se le puede borrar el diagrama de bloquespara que ocupe menos memoria, y no pueda ser editado, y seguiráfuncionando. El panel nunca puede ser borrado.

FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 142. APLICATIVOS LabVIEW


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FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 143. MEDICIONES VIRTUALES CON LABVIEW

INSTRUMENTOS VIRTUALES

Un programa creado en LabVIEW es llamado como Instrumento Virtual yconsta de tres partes a crear.

El Panel frontal, donde estarán ubicados todos los indicadores y controlesque el usuario podrá ver cuando el programa este en funcionamiento. Porejemplo botones, perillas, gráficas,etc.


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Barra dedesplazamiento Gráfica

Título IconoMenus Paleta de

herramientas

BotonControl

FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 144.EL PANEL FRONTAL

El diagrama de bloques muestra el programa en código gráfico G. Se usanen este diagrama estructuras de programación, y flujo de datos entre lasdiferentes entradas y salidas, a través de líneas. En este las subrutinas sonmostradas como iconos de cajas negras, con unas entradas y unas salidasdeterminadas, donde en el interior se cumple una función específica. El flujose aprecia, como se dibujaría en un bosquejo de sistemas, cuando se hablade teoría de sistemas, donde cada subsistema se representa como uncuadro con entradas y salidas.

Todos los indicadores y controles ubicados en el panel frontal estánrespaldados por un terminal de conexión en el diagrama de bloques tal como sise tuviera un tablero de control de una máquina o un avión, donde por el frente


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se ven los indicadores y por el lado posterior se aprecian todos los cables yterminales de conexión.

FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 145. DIAGRAMA DE BLOQUES

El icono de conexión. Se usa para utilizar el programa creado comosubrutina en otro programa, donde el icono será la caja negra, y las entradasson las conexiones a los controles del programa subrutina, y las salidas sonlas conexiones a los indicadores del mismo subprograma. Al crear el icono,se conecta a través del alambre de soldadura a los indicadores y controlesen la forma que se desee que se distribuyan las entradas y salidas en la cajanegra, tal como en un circuito integrado algunos pines corresponden aalguna función en él. La idea es crear un sistema de programación modular,donde cada rutina creada llame otras rutinas, y estas a su ves otras demenor nivel, en una cadena jerárquica con cualquier límite deseado. Asícuando se use un módulo, no se requiere saber como funcionainteriormente, simplemente solo basta conocer sus entradas y salidas paraser así usado.

Para saber el uso de los subvis, la ventana de “help” ofrece la informaciónpertinente a las entradas y salidas. Esta ventana se puede obtener presionandoCtrl-h o por medio del menu “Windows”


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FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 146. VENTANA HELP DE INFORMACIÓN

PALETAS DE TRABAJOTanto en el panel frontal como en el diagrama de bloques, existe una paleta deherramientas, que sirve tanto para editar el VI, o ejecutarlo según el modo detrabajo que se tenga.Cuando se trabaja en modo de ejecución, la paleta es la de la figura 147.

Ejecutar

ModoStop

Corridosucesivo

Puntode paro

Modo decorrido

HighlightImprimirPanel

GrabarPanel

FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 147. PALETA DE EJECUCIÓN DE PROGRAMA


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Con el botón “Ejecutar” se corre una vez el programa. Cuando estáejecutando, se cambia a rayado como se aprecia en la figura y aparece unbotón de “Stop” con el cual se pede detener el programa. No esrecomendado hacer esto, es preferible crear un algoritmo de paro delprograma, con un botón destinado exclusivamente para esto.

Algunos programas al terminar deben de ejecutar algunas operaciones decierre, como puede ser en la programación de tarjetas de adquisición de datos,o en el cierre de archivos, por tanto si se usa el botón de stop, este parará elprograma totalmente, en el punto en el que se encontraba y no permitirá quecomplete sus rutinas de cierre, pudiendo incurrir en errores y perdida de lainformación.

Cuando la flecha aparece rota indica que hay un error en el programa. Al hacerclic se muestra una lista de errores, y al hacer clic en cada uno de los erroresse apreciará en el diagrama la ubicación de la falla.

“Modo” cambia entre modo de edición y modo de ejecución. Así está enmodo de ejecución.

“Corrido sucesivo” hace que el programa ejecute una ves tras otra hastaque se le de un paro con el botón de stop.

“Punto de paro” al ser presionado cambia a “!”, así, al ser llamado comosubrutina, abrirá el panel frontal para mostrar como cambia, para encontrarerrores de lógica, o por simple visualización.

“Modo de corrido” Al ser presionado cambia a una línea por pasos, así elprograma ejecutará paso a paso. cada paso se dará al oprimir el icono de unsolo paso.

“Highlight” Muestra como fluyen los datos y que datos, a través de laslíneas del diagrama de bloques.”

“Imprimir Panel” Imprime el panel frontal actual cuando termina de ejecutarel programa.

“Grabar Panel” Almacena en un archivo .LOG el estado actual del panelfrontal.

En el modo de edición la paleta es la de la figura 148. “Operador” Sirve para accionar los controles e indicadores. “Posicionador” Sirve para cambiar de posición los diferentes elementos en

las diferentes pantallas. También permite cambiar el tamaño de estos. “Texto” Permite crear textos y etiquetas, tanto como cambiar los valores de

las escalas de las gráficas. “Alambrador” Sirve para conectar los elementos en el diagrama de

bloques, y para conectar los controles e indicadores a los pines del ícono delprograma.

“Color” Permite colorear los diferentes elementos.


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Ejecución

Modo

Operador

Posicionador

TextoAlambrador

Color

FUENTE WWW.NI.COM/LABVIEWFIGURA 148. PALETA DE EDICIÓN

En realidad esta es una pequeña reseña del poderoso programa LabVIEW; noobstante en esta lección se tomaron tips muy importantes los cuales son basepara una posterior profundización del tema.

CONCLUSIONES

Un instrumento virtual puede realizar las tres (3) funciones básicas de uninstrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos. Sinembargo, el instrumento virtual me permite personalizar el instrumento, yagregarle mucha más funcionalidad sin incurrir en costos adicionales. ¿Quiereconectividad de su instrumento con Ethernet? ¿Quiere almacenar sus datos enuna tabla o archivo compatible con MS Excel? ¿Quiere agregarle a suinstrumento un nuevo algoritmo o función que necesita en su experimento? Larespuesta a todas estas preguntas está en sus manos, ya que todo ello puedehacerse y, mejor aún, puede hacerlo usted mismo.

El instrumento virtual le apalanca en la flexibilidad y poder del PC, y medianteel software que lo acompaña, el nivel de adaptabilidad y personalización delinstrumento virtual es casi ilimitado.


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CAPÍTULO 3. INTRODUCCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓNPARA MEDICIONES DE INTERFERENCIAS

ELECTROMAGNÉTICAS - REFLECTOMETRÍA

LECCIÓN 1. MODELAMIENTO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

MODELAMIENTO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISION

Al analizar los parámetros distribuidos en un conductor se toman en cuenta ladistribución espacial de sus componentes (sus dimensiones físicas), por elcontrario los circuitos eléctricos y electrónicos se denominan circuitos deparámetros concentrados.

Tengamos en cuenta que una línea de transmisión, esta formada por dosconductores adyacentes separados por un dieléctrico, uno de los conductoresse puede denominar positivo y el otro, tierra o negativo.

Al tomar como base este modelo de línea de transmisión se observa que suscaracterísticas son similares a la de un condensador (unión de conductor –aislante – conductor). Dicha línea de transmisión tendrá también uncomportamiento inductivo, al considerarse la línea de transmisión como unaespira cerrada con un generador en un extremo y en el otro la carga.Teniendo en cuenta entonces las características no ideales de dicha línea detransmisión, debemos tener encuentra además la resistencia, la cualaumentara a medida que se tenga una mayor longitud (la resistencia esdirectamente proporcional a la longitud).

Obtendremos así un modelo de la línea de transmisión con una resistencia R,una Inductancia L y una Capacitancia C

Este modelo se distribuirá a través de toda la línea de transmisión, teniéndosen trozos del modelo base distribuidos a través de la longitud de la línea comose muestra en la Figura 149:


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 149. PARÁMETROS DISTRIBUIDOS EN UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

- Se tiene un componente capacitivo distribuido (expresado en faradiospor unidad de longitud) se ilustra en la figura como un condensador enparalelo, es debido al campo eléctrico existente en el dieléctrico entrelos conductores de línea, este modela el procedimiento dealmacenamiento energético en forma de campo eléctrico que se produceen la línea.

- El componente inductivo distribuido (expresado en henrios por unidad delongitud) se ilustra en la figura como una bobina en serie, es debida alcampo magnético alrededor del conductor y modela el proceso dealmacenamiento de energía en forma de campo magnético que seproduce en la línea.

- La resistencia distribuida del conductor (expresada en ohmios porunidad de longitud), se ilustra en la figura como la resistencia en serie R,es causada por las características no lineales de los conductores.

- La conductividad distribuida (expresada en Mohs por unidad de longitudo Siemens por unidad de longitud), se ilustra en la figura por unconductor en paralelo G, este modela la disipación de potencia que seproduce por la no linealidad del dieléctrico.

Para este modelamiento suponemos entonces unas característicashomogéneas a lo largo de la línea de transmisión, los parámetros R y G sonpequeños, y sus efectos se pueden ignorar, se tendrá entonces que cada“tramo” que integra el modelo cuenta con una inductancia (L) y unacapacitancia (C) unitaria, como se ilustra en la figura 150


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 150. MODELO APROXIMADO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Se puede representar una línea de transmisión como una sucesión decuadripolos, con una longitud infinitesimal, para cada uno de estos elementosse emplea un modelo circuital, donde las tensiones y corrientes de entrada ysalida son los parámetros descriptivos. Si la longitud de la línea de transmisiónse extiende a través del eje z, cada sección de la línea de transmisión tendráuna longitud dz. Tal como se muestra en la figura 151

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 151. SECCIÓN DE LA LÍNEA DE TX (CUADRIPOLO)

Se asume una línea sin perdidas de energía, donde el dieléctrico tampocotendrá perdidas.

Las corrientes y cargas en el conductor provocan campos eléctricos ymagnéticos cuya representación serán componentes reactivos: capacidad einductancia. La Capacitancia representará el campo eléctrico que se crea porlas cargas en los conductores de la línea y la inductancia representará elcampo magnético generado por las corrientes circulantes.

Ldz será entonces la inductancia del tramo y Cdz su capacidad.


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 152. COMPONENTES INDUCTIVAS Y CAPACITIVAS

Al aplicar la ley de corrientes de Kirchoff en el segmento de la figura 152 :

zt

vCdzzidzzi

)()( = 0

El último termino es la corriente que sale del Capacitor CdzDe donde:

)()( zidzzi ≈ dzz

i

Entonces: z

z

i

≈ -C z

t

v

Al aplicar la ley de voltajes de Kirchoff en la malla del segmento:

)()( zvt

iLdzdzzv

= 0

De donde

zz

v

≈ -L z

t

i

Resumiendo:

zz

i

≈ -C z

t

v

y z

z

v

≈ -L z

t

i

Estas dos ecuaciones diferenciales se conocen como ecuaciones para unalínea ideal.

Para analizar estas expresiones se deriva la primera con respecto al tiempo yla segunda con respecto a z:


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2

22

t

vC

tz

i

yzt

iL

z

v

2

2

2

Las derivadas cruzadas son iguales, de tal forma que:

02

2

2

2

t

vLC

z

v

Esta expresión diferencial se denomina ecuación de onda o ecuación deD’Alembert. Esta ecuación diferencial de lineal homogénea, tiene la solucióndel tipo

)(),( ctzftzv DondeLC

c1

Es la representación de una onda que se propaga a lo largo del eje z convelocidad c. Si se emplea el signo (-) la onda se propaga en sentido +z, si setoma el signo (+) la onda se propaga según –z.

Se tendrá una ecuación semejante para la corriente i(z,t) a lo largo de la línea.

- LÍNEAS DE TRANSMISIÓN CON PÉRDIDAS:

En los sistemas reales se tiene pérdidas de energía causadas por:- Perdidas dieléctricas- Perdidas por Efecto Joule en los conductores.

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 153. REPRESENTACIÓN DE UN SEGMENTO DE LA LÍNEA DE TX CON PERDIDAS


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Al modelo empleado anteriormente se le agrega una resistencia en serie querepresenta las perdidas por efecto Joule causadas por la circulación decorriente en los conductores de la línea y una conductancia en paralelo querepresenta las perdidas dieléctricas, como se muestra en la figura 153.Al aplicar la ley de corrientes de Kirchoff:

zt

vCdzzGdzvzidzzi

)()()( de donde : zt

vCzGvz

z

i

)(

Al aplicar la ley de voltajes de Kirchoff:

zt

iLdzzRdzizvdzzv

)()()( De donde: zt

vLzRiz

z

v

)(

Para resolver estas ecuaciones se desacoplan mediante las derivadascruzadas obteniéndose:

zt

vLzRiz

z

v

)( Entonces:

zt

iL

t

vRCRGv

zt

iL

z

iR

z

v

22

2

2

Y zt

vCzGvz

z

i

)( Entonces:

2

22

t

vC

t

vG

tz

i

En donde:

2

2

2

2

)(t

vLC

t

vLGRCRGv

z

v

2

2

2

2

)(t

iLC

t

iLGRCRGi

z

i

Estas ecuaciones diferenciales de tipo ondulatorio quedan ecuaciones deD’Alembert si se considera que R=G=0. La solución simple, en notaciónfasorial, para variaciones armónicas será:


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jwts ezvtzv )().( jwt

s ezitzi )().(

La ecuación diferencial para la tensión tendrá la forma:

ss vLCwLCRCjwRG

dz

vd])([ 2

2

2

Entonces: 022

2

ss v

dz

vd

Donde ))(()(2 jwCGjwLRLGRCjwRGLCwi

La corriente tendrá una ecuación similar.Estas expresiones son conocidas como ecuaciones de Helmholtz; a ise le denomina numero de onda, tiene una componente compleja que indicauna propagación con atenuación causada por las perdidas en el trayecto delconductor.


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LECCION 2. PROPAGACION DE SEÑALES A TRAVES DE UNCONDUCTOR

Si tenemos en cuenta la propagación de la señal tendremos dos ondas: unaonda incidente (o progresiva) y una onda reflejada (o regresiva), de tal formaque la expresión que muestra este comportamiento será:

Donde:

k =w/v

Se llama número de onda y posee unidades de radianes por metro,ω es la frecuencia angular o natural, en radianes por segundo,f1 y f2 pueden ser cualesquiera funciones imaginables, y

v =LC

1 : Representa la velocidad de propagación de la onda.

f1 representa una onda viajera según la dirección positiva de x, mientras que f2representa una onda viajera según la dirección negativa de x. Se puede decirque la tensión instantánea en cualquier punto x de la línea, V(x), es la suma delas tensiones de ambas ondas.

Dado que la corriente I guarda relación con la tensión V, podemos escribir

I (x,t) =Z

kxwtf )(1 -Z

kxwtf )(2


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LECCION 3: IMPEDANCIA CARACACTERISTICA EN UN CONDUCTOR

Se define la impedancia característica como la relación existente entre ladiferencia de potencial aplicada y la corriente absorbida por la línea, en el casohipotético de que esta tenga longitud infinita, o donde siendo finita no sepresenten reflexiones.

Su valor lógicamente dependerá de los parámetros de dicha línea, relacionadosmediante la siguiente expresión:

Z=cjwG

LjwR

**

Si tenemos en cuenta que los valores de R y G son muy pequeños, laexpresión se resume en:

Z =C

L

Es la impedancia característica en ohmios, esta no depende de la longitud sinode la disposición geométrica de los conductores. No debe confundirse entoncesla impedancia característica de un cable determinado (función del tipo decable), con su impedancia, la cual si depende de su longitud. Son típicas lasimpedancias características de 600 ohmios para pares telefónicos, de 75ohmios para cables coaxiales normalmente usados en televisión y de 50ohmios, para coaxiales empleados en redes locales.


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LECCION 4 SONDA ATENUADA EFECTO CAPACITIVO E INDUCTIVO

Las sondas funcionan en conjunto con el osciloscopio como parte de unsistema de medida, las sondas se convierten entonces en parte del circuito,generando cargas capacitivas, inductivas y resistivas. Para minimizar estosefectos se debe buscar ofrecer una sonda que presente una carga mínima.Revisemos los tipos de sondas:

SONDAS PASIVAS

Si se realizan medidas en un rango de frecuencias medias estas ofrecen por unbajo costo un buen desempeño; la mayoría tienen factores de atenuación 10x,100x. La sonda atenuada 10x minimiza la carga del circuito en comparación deuna sonda 1x. La sonda atenuadora 10x funciona balanceando lascaracterísticas eléctricas de la sonda con las características eléctricas delosciloscopio. Antes de emplearse es necesario ajustar este balance para cadaosciloscopio en particular. Este ajuste se denomina compensación de la sonda.Uno de los limitantes de esta sondas es cuando se tienen señales con flancosde subida excesivamente rápidos, y pueden cargar circuitos excesivamentesensibles.Las sondas pasivas de atenuación de tensión deben ser compensadas con elosciloscopio, esto es, balacear sus características eléctricas con las de unosciloscopio en particular. Si las sondas no se compensan no se tendránmedidas precisas.Muchos osciloscopios tienen una señal de referencia de onda cuadrada, que seemplea para compensar la sonda, siguiendo los siguientes pasos:

- Conectar la sonda a un canal vertical.- Conectar la punta de la sonda al punto de compensación de la sonda,

por ejemplo a la señal de referencia de onda cuadrada.- Conecte la pinza de la sonda de tierra al punto de sonda al osciloscopio.- Visualice la señal de referencia de onda cuadrada.- Realice los ajustes adecuados en la sonda para que las esquinas de la

onda cuadrada tengan un ángulo recto.

La Figura 154 ilustra el ajuste correcto de la sonda y las variaciones de señal sino se tiene el ajuste adecuado.


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 154. AJUSTE DE SONDAS

SONDAS ACTIVAS Y DIFERENCIALES

Estas emplean circuitos especialmente desarrollados para conservar la señaldurante su acceso y transmisión al osciloscopio, asegurando la integridad delas mismas. Cuando se tengan señales con tiempo de subida rápidos setendrán resultados precisos con este tipo de sondas.

COMPENSACION DE EFECTOS CAPACITIVOS E INDUCTIVOSLas sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuitode medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga,para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10.


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 155. COMPENSACIÓN DE EFECTOS DE CARGA

Mediante el condensador variable que se muestra en la Figura 155 secompensa el efecto de carga generada por la sonda, la calibración se deberealizar con una señal de entrada de prueba.


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LECCIÓN 5 REFLECTOMETRÍA.

La forma más general a evaluar la respuesta en el dominio de tiempo decualquier sistema electromágnetico es solucionar las ecuaciones de Maxwell enel dominio de tiempo. Tal procedimiento consideraría todos los efectos de lageometría del sistema y de las características o propiedades eléctricas,incluyendo efectos de las líneas de la transmisión. Sin embargo, esto seríaalgo complicado para un conector simple y aún más para una estructura talcomo una plaqueta multicapa de un sistema de alta velocidad. Por esta razón,varios métodos de prueba se utilizan para asistir al ingeniero electrónico paraanalizar la integridad de la señal.

La reflectometria del dominio de tiempo TDR proporciona en forma másintuitiva y más directa las características del sistema bajo prueba. Usando ungenerador de escalón y un osciloscopio, una elevación rápida de tensión seenvía a la línea de la transmisión bajo investigación. Las señales, la ondaincidente y las ondas reflejadas de tensión son observadas con un osciloscopioen un punto particular en la línea.

Esta técnica del eco, revela de un vistazo la impedancia característica de lalínea, y muestra la posición y la naturaleza (resistente, inductivo, o capacitivo)de cada discontinuidad a lo largo de la línea. TDR también demuestra si laspérdidas en un sistema de la transmisión son pérdidas serie o pérdidas enparalelo. Toda esta información está inmediatamente disponible en elosciloscopio. TDR también da una información más significativa referente a larespuesta de banda ancha de un sistema de transmisión que cualquier otratécnica.

La figura 156 nos muestra el principio de esta medición,


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 156. TENSION EN FUNCIÓN DEL TIEMPO EN UN PUNTO PARTICULAR DE UNA LINEA DE

TRANSMISION

El generador de escalón produce una onda incidente positivo que se aplique alsistema de transmisión bajo prueba. El escalón viaja por la línea de latransmisión con la velocidad de la propagación de la línea. Si la impedancia dela carga es igual a la impedancia característica de la línea, no se reflejaninguna onda y lo que verá en el osciloscopio es el escalón de tensiónincidente.

Si la impedancia de carga no es igual a la impedancia característica, parte de laonda del incidente se refleja. La onda reflejada de tensión aparecerá en elosciloscopio sumada a la onda incidente.

Esta técnica requiere el uso de un osciloscopio caro con especificacionesavanzadas, para el común de los análisis a realizar lo mismo que generador deescalón de tensión, en general con especificaciones de tiempo del orden delnanosegundo.

CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE PULSOS

Es posible experimentar con estos conceptos utilizando un generador depulsos no tan exigente y fácil de obtener como el mostrado en la figura 157


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 157. GENERADOR DE PULSOS

El transistor Q3 forma parte de un generador de tensión, con señales del ordendel milisegundo, el generador de escalón con un tiempo de elevación rápido esel realizado por el transistor Q2 y el acople entre etapas realizada por C1 y R1.

El sistema esta formado por un generador de escalón, con un tiempo de subidamuy pequeño, un osciloscopio y la línea a estudiar, el generador de escalóngenera una señal, que avanza, como una onda a través de la línea con unavelocidad que depende de la misma y llega a la carga en un determinadotiempo,

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 158. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA


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Si la impedancia de carga ZL es igual a la impedancia característica de lalínea, no se produce una reflexión y la señal vista en el osciloscopio es lasiguiente,

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 159. SEÑAL REFLEJADA NULA

Si la impedancia de carga ZL no es igual a la impedancia característica, ocurreuna reflexión, que se propaga de nuevo hacia el generador y al llegar al mismose suma a la señal original como se muestra a continuación,

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 160. SEÑAL REFLEJADA

PRUEBAS DE REFLECTOMETRIA

Las siguientes señales fueron observadas para un largo de la línea de L=1000cm , en la primera foto la resistencia de carga fue de RL= 0 omhios y Vcc=12 V


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FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 161. PRUEBA DE REFLECTOMETRIA N°1

y para la siguiente la carga fue circuito abierto y Vcc= 12 V,


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Las siguientes señales fueron medidas con una línea de 67 metros y ademásse fotografió la señal del colector de Q3 de la etapa de excitación,


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Experimento con la linea de 67 metros.

Esta línea nos permite estudiar las propiedades de este sistema con uninstrumental relativamente fácil de conseguir como un generador de señalesrectangulares con un periodo de 150 mseg y un osciloscopio con una base detiempo de 1 mseg/div, los siguientes puntos abarcan diferentes experimentos,variando la impedancia de carga ZL.

ZL capacitiva.

En el siguiente experimento, en el cual se observa la señal vsal, se utilizo unacarga ZL capacitiva, utilizando un capacitor de 0.013 mF, la señal delgenerador realizado por el transistor Q3, es rectangular con un periodo de 150microsegundos.

FUENTE ELEC.ITMORELIA.EDU.MX/TOVAR/2MODLINEAS-01.HTMFIGURA 164. GRAFICA RESULTANTE DE LA PRUEBA DE REFLECTOMETRIA


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Los proyectos descriptos utilizan tensiones eléctricas elevadas que puedenresultar mortales, como igualmente las sustancias, métodos y equipos puedenresultar peligrosos. No trabajar o experimentar en estos proyectos si no estafamiliarizado con estas técnicas o no puede adoptar medidas de seguridad,consulte a profesionales, en cualquier caso quien quiera trabajar en cualquierade estos proyectos debe asumir la responsabilidad, por daños a uno mismo, aterceros o a propiedades.


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BIBLIOGRAFÍA

LIBROS CONSULTADOS

Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,Prentice Hall.

Bopton, ”Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas”, Alfaomega Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”,

Paraninfo. Manuales de los equipos de laboratorio seleccionados Guías del profesor Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”,

Paraninfo. Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,

Prentice Hall. Buchla, David y Mc Lachlan, Wayne, ”Applied electronic instrumentation and

measurement”, Macmillan publishing company, New York. Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”,

Prentice Hall Creus, Antonio. Instrumentación Industrial. Sexta edición Alfaomega – Marcombo

1998. Doebeling, E. O. Measurement Systems Applicationand Design. McGraw Hill New

York 1990. Lion, K. S. Elements Of Electrical And Electronic Instrumentation. McGraw Hill

New York 1975. Ogata, Katsuhiko. Modern Control Engineering. Segunda edición Englewood Cliffs

Prentice Hall New York 1990.

PAGINAS WEB CONSULTADAS

Pagina Web de Físicahttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm

Pagina Web de Metrologíawww.cem.es/cem/es_es/metrologia/sme.pdf

Pagina Web de Procedimientos de Referenciawww.quimica.urv.es/quimio/general/crms.pdf

Pagina Web de la Superintendencia de Industria y Comerciohttp://www.sic.gov.co/metrologia/Electrica/Potencia.php

Pagina Web Instrumentación Electrónicahttp://www2.ate.uniovi.es/13996/

Pagina Web con documentación técnica de medidores análogoswww.labc.usb.ve/mgimenez/lab_circ_electronicos_guia_teorica/cap6.pdf

Pagina Web de consulta personalizadawww.monografias.com/trabajos17/sistemas-adquisicion-dato/sistemas-adquisicion-dato.shtml

Pagina Web de Nacional Instruments, LabVIEW


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www.ni.com/labview Pagina Web con documentación técnica de Tubos de Rayos catódicos

personales.unican.es/perezvr/pdf/tubos%20de%20rayos%20catodicos.pdf Pagina Web con documentación técnica sobre el manejo del osciloscopio

http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc_5.htm Pagina Web con documentación técnica sobre Reflectometría

elec.itmorelia.edu.mx/tovar/2modlineas-01.htm

Mod Instrumentacion

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