Instrumentos Analgicos y Digitales

Funcionamiento

UTN FRBAMedidas Electrnicas I

Pablo De CsareJ.M. Perdomo

Instrumentos Analgicos

Se trata de un instrumento formado por un imn permanente y dentro del campo creado por ese imn aparece una bobina mvil a la cual se encuentra solidariamente unida el ndice o aguja.

El transductor es el encargado de convertir la magnitud medida en otra que acte sobre el sistema indicador

El sistema indicador tiene una parte fija (la escala) y una parte mvil a la que est adosada la aguja. La parte mvil se desplaza, lo cual implica ENERGIA (adems de la energa que se pierde por calentamiento o efecto Joule); esta energa es proporcionada por el transductor que generalmente absorbe energa del equipo bajo medicin.

Instrumentos Analgicos

Para una partcula sometida a un campo elctrico combinado con un campo magntico, la fuerza electromagntica total o fuerza de Lorentz sobre esa partcula viene dada por:

donde es la velocidad de la carga, es el vector campo elctrico y es el vector campo magntico. La expresin anterior est relacionada con la fuerza de Laplace o fuerza sobre un hilo conductor por el que circula corriente:

F = l.i ^ B

Imn permanente-bobina mvil

Instrumentos Analgicos

Se trata de un instrumento formado por un imn permanente y dentro del campo creado por ese imn aparece una bobina mvil a la cual se encuentra solidariamente unida el ndice o aguja.

F =BiL

Si tenemos N

F = BiLN

Cm = BiLN2R

Imn permanente-bobina mvil

Instrumentos Analgicos

Imn permanente-bobina mvil

Instrumentos Analgicos

El instrumento tienen resortes que cumplen una doble funcin.

- Crean la cupla resistente para lograr el equilibrio.- Permiten que la corriente llegue a la bobina mvil.

Cm = Crla cupla resistente para un resorte de torsin es proporcional al ngulo girado, es decir Cr = k , donde es el ngulo girado por la aguja.

- el ngulo girado por la aguja ser proporcional a la corriente.

Imn permanente-bobina mvil

Instrumentos Analgicos

Imn permanente-bobina mvil

Hay instrumentos donde el campo de induccin puede ser variable, encontrando distintos valores de B para cada ngulo.

Instrumentos Analgicos

Imn permanente-bobina mvil

Instrumentos Analgicos

Utilizacin como ampermetro

el instrumento de bobina mvil es muy sensible, para medir corrientes grandes, ser necesario agregar una resistencia en paralelo con el instrumento de manera que por ella se derive la diferencia entre la corriente a medir y la mxima que puede manejar el instrumento.

Rm = Resistencia del instrumento Rs = Resistencia Shunt

Instrumentos Analgicos

Utilizacin como ampermetro

Ampliacin de escala

Instrumentos Analgicos

Utilizacin como voltmetro

Definimos sensibilidad

Supongamos un instrumento con una corriente de fondo de escala de 50 A,

La resistencia total que presentar el voltmetro segn el alcance usado:

Instrumentos Analgicos

Instrumentos de alcances mltiplesVoltmetro

Instrumentos de alcances mltiplesAmpermetro

RD=Ra/(n-1)nRD1 = Ra/RD + 1

La presencia de resistencia espurias en los contactos, alteran la exactitud del multiplicador de rangos. La resistencia en los contactos son de bajo valor y del mismo orden que las resistencias derivadoras o shunt.

AmpermetroPara evitar este problema se creo otra forma de multiplicar el alcance con el llamado Shunt de alcance universal o Shunt de Ayrton.

Rc queda fuera del sistema de medicin

RD=r1+r2+r3+r4 = Ra/(n-1)

RD=r1 = Ra+r2+r3+r4/(n-1)

Ampermetro

Valor medio de una seal (peridica):Est asociado al movimiento neto de cargas.

Valor Eficaz (seal peridica)Para una seal peridica de perodo T, la potencia media sobre una resistencia R esta dada por.

Para una misma tensin continua Vo, la potencia disipada sobre la misma resistencia es

Si ambas potencias son iguales, Vo es el valor eficaz o RMS

Instrumento con bobina mvil en CAValores caractersticos de una seal

Factor de Cresta

El factor de cresta es la relacin entre el pico y el valor verdadero eficaz. En una onda de corriente de forma senoidal este cociente es de 1,41.

Factor de Forma

El factor de forma es la relacin entre el valor medio y el valor verdadero eficaz. En una onda de corriente de forma senoidal este cociente es de 1,11.

Instrumento con bobina mvil en CAValores caractersticos de una seal

Instrumento con bobina mvil en CA

Instrumento con bobina mvil en CA

- Como el instrumento de bobina mvil responde al valor medio o de continua de una corriente, es imposible que por s slo mida tensiones o corrientes alternas.

-Se agrega de un rectificador. puede hacerlo fcilmente.

el rectificador convierte a la corriente alterna en una pulsante unidireccional que s puede ser medida por el instrumento de bobina mvil.

Para que estos diodos?

Instrumento con bobina mvil en CA-En general interesan valores eficaces de las tensiones alternas.

- El fabricante agrega una escala tal que tiene en cuenta la relacin existente entre el valor medio y el valor eficaz ya que el instrumento de bobina mvil slo es capaz de medir valores medios.

Hay que destacar que cada onda tendr una determinada relacin entre su valor medio y su valor eficaz, de manera que la calibracin es slo vlida para un tipo de onda en particular.

En la prctica, la forma de onda es la senoide. La relacin mencionada recibe el nombre de factor de forma .

Errores cometidos por el instrumento

El fabricante especifica un error relativo a fondo de escala para cada alcance al que se denomina error de clase.

El error relativo cometido en una medicin :

Tambin se presentar un error accidental de lectura. El error de lectura proviene de tres vertientes :

a) Error de paralajefalta de perpendicularidad entre el eje visual y el plano de la escala del instrumento.

b) Error debido al poder separador del ojoComo promedio y en condiciones normales de visibilidad, el menor ngulo que permite

observar dos puntos separados con vrtice en el ojo es de aproximadamente dos minutos.

c) Error de estimacinEste error se comete al tratar de interpretar la posicin de la aguja entre dos posiciones de la escala.

Error de lectura se lo simboliza como = 0.2 a 0.25 div

Errores cometidos por el instrumento

EspecificacionesTensin a medir = 30 V

Voltmetro Analgico:

Clase 3Alcances = Vpe = 10 V, 50 V, 100V , 500 VCantidad de divisiones = pe = 50 DIVError de lectura = = 0.2 DIV

Lectura:

Se utiliza el alcance de 50 V i= 30 DIV

EspecificacionesTensin a medir = 30 V

Voltmetro Analgico:

Clase 3Alcances = Vpe = 10 V, 50 V, 100V , 500 VCantidad de divisiones = pe = 50 DIVError de lectura = = 0.2 DIV

Lectura:

Se utiliza el alcance de 100 V

Ejercicio

Realizar el calculo de error y extraer conclusiones

Instrumentos Digitales

Fcil manera de lectura. Mayor resolucin que los multmetros analgicos.

La mejor resolucin de un analgico es parte en 120 que, comparada con la de un digital de 3 dgitos ( muy econmico ) de una parte en 1000.

Un analgico puede tomar 1s o ms para responder y un digital toma por lo menos 5 lecturas por segundo.

Acondicionador de seal- Si la seal es Vcc, debe constar de un atenuador o

un amplificador para las mas dbiles.

- Si se trata de una Vca esta debe ser convertida en una Vcc equivalente.

Conversor AD- dos procesos bsicos:

a) Muestreo (sampling)

b) Cuantificacin

En la practica ambos procesos se realizan en una misma operacin, y la exactitud, precisin, y resolucin son los atributos ms importantes de un A/D.

Instrumentos Digitales

Instrumentos Digitales

Instrumentos DigitalesConversor A/D

Se utiliza un gran numero de mtodos para convertir seales analgicas a digitales Simple Rampa Aproximaciones sucesivas Doble Rampa Paralelo (o instantneo)

La Precisin es independiente de estos errores, y dependiente solamente del nmero de bits de la seal de salida.

Conversor de 8 bits implica 256 estados posibles; su resolucines de una parte en 256, lo que puede ser expresado como un 0,4%.

Obtenga la expresin de la precisin en funcin de la cantidad de bits

Instrumentos DigitalesConversor simple rampa

se utiliza un integrador con un capacitor que se carga a pendiente constante hasta alcanzar la tensin a convertir, instante en que cesa la integracin. El tiempo requerido es proporcional a la tensin de entrada, y puede medirse con un contador que cuente ciclos de un reloj.

Mientras v1 < vi el comparador est alto, permitiendo que los pulsos del oscilador pasena la entrada de reloj de un contador. Cuando V1 Vi ,el comparador conmuta, inhibiendo los pulsos de reloj.

Hallar la expresin que determina el valor de la cuenta en funcin de fclock, RC, Vi y Vref

fclock

Instrumentos DigitalesAproximaciones Sucesivas

La estructura es similar, pero reemplazando el contador por un registro de aproximaciones sucesivas.Con este tipo de conversor el tiempo de conversin es de n ciclos de reloj, en lugar de 2n (o an mayor) como en los otros casos. Adems de la velocidad, resulta importante el hecho de que en k ciclos de reloj (k n) quedan garantizados los k bits mssignificativos. lo cual permite utilizar un mismo conversor con mayor velocidad si no se requiere