Instrumentos De Medicion Digital.docx g5q1a

INSTRUMENTOS DE MEDICION DIGITAL GENERALIDADES Dado que los conversores Analógico y Digital están diseñados para operar con un voltaje DC, cualquier otra magnitud que se desee medir deberá ser tratada para transformarla. Por ejemplo, si se desea medir un voltaje AC, deberá interponerse un dispositivo que permita obtener una señal de DC proporcional al valor eficaz de la señal de AC. Si se trata de la medición de una corriente, es necesario conseguir una señal de voltaje proporcional a la corriente, ya sea a través de una resistencia calibrada, con clase necesaria para la exactitud requerida, o por medio de un TI, seguido de un circuito electrónico, u otro dispositivo. Además, como se vio en Elementos de SAD, los conversores A/D tienen un alcance nominal de tensión, el cual debe aprovecharse al máximo pero tampoco debe ser superado. Esto plantea la necesidad de adecuar niveles de señales, operarlas electrónicamente, etc., antes de realizar la conversión A/D propiamente dicha. En este proceso intervienen circuitos amplificadores del tipo operacional (AO), los cuales serán estudiados oportunamente. La medición de distintas magnitudes con un instrumento digital múltiple, o multímetro digital (DM – digital multimeter), permite lograr niveles muy buenos de exactitud, principalmente en mediciones de DC. Aun los DM de bajo precio, tienen una exactitud comparable a la de instrumentos analógicos de mayor valor. En el caso de los DM de laboratorio es posible lograr niveles de exactitud muy elevados. En el instrumento digital o numérico el proceso de la medición proporciona una información discontinua expresada por un número de varias cifras. La escala clásica de indicación continua, es reemplazada por la escala numérica de indicación discontinua, en la cual las cifras alineadas a leer indican directamente el valor numérico del grandor medido; la indicación numérica se presenta a lo largo del tiempo con un ritmo predeterminado. En general los instrumentos digitales poseen características de entrada superiores a los analógicos, p.e, impedancia de entrada muy elevada en los circuitos de voltaje (superior a 2MW), un consumo de energía mucho menor y una mayor exactitud; pueden incorporar selección automática de escala, e indicación de polaridad, lo que salvaguarda al instrumento y mejora la fiabilidad de la medida.

La aplicación de las técnicas digitales permitió eliminar en forma completa las partes electromecánicas sensibles al desgaste y vibraciones. En general los Instrumentos Digitales poseen características de entrada superiores a los Instrumentos analógicos, p.e, impedancia de entrada muy elevada en los circuitos de voltaje (superior a 2MW), un consumo de energía mucho menor y una mayor exactitud; pueden incorporar selección automática de escala, e indicación de polaridad, lo que salvaguarda al instrumento y mejora la fiabilidad de la medida.

Otra ventaja de la visualización digital es la eliminación del error de paralaje y la reducción de los errores humanos asociados con la interpretación de la posición de la aguja en una escala analógica. Sin embargo, la característica que define su principal ventaja con respecto al instrumento analógico, es la posibilidad de realizar mediciones coordinadas comandando los instrumentos digitales desde un ordenador de bajo costo (en general PC); para tal fin los distintos fabricantes proveen el instrumental con las conexiones y protocolos (software) necesarios. Además los ID pueden formar parte de un SAD, a través de una interface normalizada como la RS232, IEE488, GPIB, etc., sin dejar de perder su carácter individual. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Automatización de multímetros La estructura de los instrumentos digitales permite ejecutar operaciones en forma automática, lo que simplifica la tarea de medición. Detección de la polaridad El momento de realizar la detección de la polaridad depende del tipo de conversor A/D utilizado; en los del tipo de valor instantáneo (no integradores) utilizados para la medición de señales DC puras, la detección debe hacerse previo o durante el proceso de medición; en cambio en los del tipo integrador se determina el signo comparando el nivel cero con el valor obtenido en la integración del voltaje incógnita. El resultado de la operación se almacena en una memoria de un bit para su posterior presentación en el display. Por ejemplo en el conversor A/D de simple rampa, la detección de la polaridad puede efectuarse registrando la prioridad de las señales a la salida del:  comparador de la señal URAM con nivel 0 V  comparador de la señal URAM con UX Si la tensión UX es > 0, entonces la salida 1 emitirá el primer pulso, registrando el signo + e inhibiendo el segundo pulso correspondiente a la salida 2; si UX es < 0 ocurre a la inversa, ya que el primer pulso que registra la memoria es el de la salida2.

En el conversor A/D de doble rampa, la determinación de la polaridad se realiza en el instante de tiempo tP ,al final del período T de integración, comparando el voltaje US = f(UX) y evitando así que fluctuaciones en el valor de UX, debidas a componentes de AC superpuestas, den una falsa indicación de polaridad

Elección del alcance Esta automatización permite realizar la lectura en las mejores condiciones de escala, obteniendo una presentación que utilice la mayor parte de los dígitos de la escala. Existe un solapamiento de los diferentes alcances para evitar continuos cambios de escala cuando la magnitud a medir se encuentra muy cerca del máximo (o mínimo) de un alcance, con su valor variando levemente en el tiempo.

La implementación de escalado automático se esquematiza en figura. Luego del primer ciclo de conversión la información contenida en el contador-comparador se utiliza para establecer el nivel de atenuación de la señal de entrada, y también la posición del punto decimal y el símbolo (V ó mV), mediante una lógica adecuada. Por ejemplo, comenzando por el segundo nivel, si el conteo supera el número máximo de cuentas se ordena pasar al nivel superior siguiente y si no supera el nivel inferior se baja al primer nivel. En la figura anterior, correspondiente a un display de 3 ½ dígitos, estos niveles son 1999 y 180 cuentas respectivamente.

El escalado automático puede suprimirse (modo manual) a fin de poder manejar (empeorar) la resolución de acuerdo a la situación planteada. Ajuste de cero Una señal de entrada nula en un multímetro digital no implica una indicación igual a cero, ya que si se cortocircuitan las entradas de un AO aparece una tensión residual en su salida (del orden de algunos mV, denominado tensión de offset). Esta situación afecta las mediciones de tensión de pequeño valor, ya que un error del 0,05% del valor a fondo de escala significa una cuenta en un instrumento de 3½ dígitos. Es necesario efectuar por ello un “ajuste de cero”, el cual puede realizarse con un circuito similar al de la figura

Las llaves L2 y L3 son cerradas antes del comienzo del ciclo de medida, estando L1 abierta, de modo que el capacitor C almacena un valor proporcional a la tensión de salida de offset. Luego se abren las llaves L2 y L3 y se cierra la llave L1 dando inicio al ciclo de medida. Como el capacitor C

no puede descargarse e ingresa como referencia en la etapa integradora, el error de cero queda automáticamente desafectado. Medición de distintas magnitudes mediante el Multimetro digital Se analizarán los procesos previos necesarios para adecuar las señales a los requerimientos del conversor A/D el cual, como se puntualizó, solo puede convertir señales de tensión DC. Mediciones en DC Tensiones Para tensiones mayores al valor máximo de voltaje que puede aplicar directamente a un conversor (por lo general los 10 VDC) es necesario intercalar previamente un atenuador. La forma más simple es un divisor resistivo. La clase del mismo debe ser la adecuada para la exactitud pretendida en la medición. La figura muestra una forma de implementar el atenuador. El AO se utiliza para amplificar 10 veces las señales menores a 200 mV. Valores de resistencias a modo de ejemplo: 7 R1 = 9 M RA = R1 + R2 + R3 + R4 = 10  6 R2 = 900 K RB = R2 + R3 + R4 = 10  5 R3 = 90 K RC = R3 + R4 = 10  4 R4 = 10 K RD = R4 = 10  Relaciones y tensiones RB/RA = 10 UX = 20 V RC/RA = 100 UX = 200 V RD/RA = 1000 UX = 2000 V R6/R5 = 10

U0 = 2 V U0 = 2 V U0 = 2 V

En la siguiente figura se utiliza un AO para atenuar (y amplificar) las señales, precedido por un atenuador relación 10:1 para aprovechar mejor la capacidad del circuito

Corrientes A fin de lograr conversión de corrientes en tensiones es necesario emplear derivadores, diseñados para conseguir igual caída de tensión en todos los alcances. En el diagrama de la figura, se muestra, además de los derivadores, el sistema de protección para evitar daños ante errores de uso (por ejemplo, medir tensiones en la escala de corriente) constituido por diodos y un fusible. Nótese que el valor de la tensión de salida U0 es, para cada alcance de corriente, igual al mínimo alcance de la etapa conversora (200 mV); esto es porque se considera que la corriente a la salida es nula, por lo que no existe caída de tensión en las resistencias que no intervienen en la medición (por ejemplo R1 y R2 en el circuito de la figura). Valores de resistencias a modo de ejemplo: R1 = 900  RA = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 = 1000  R2 = 90  RB = R2 + R3 + R4 + R5 = 100  R3 = 9  RC = R3 + R4 + R5 = 10  R4 = 0.9  RD = R4 + R5 = 1  R5 = 0.1  RE = R5 = 0.1  Corrientes y tensiones IX = 200 mA U0 = IX. RA = 200 mV IX = 2 mA U0 = IX. RB = 200 mV IX = 20 mA U0 = IX. RC = 200 mV IX = 200 mA U0 = IX. RD = 200 mV IX = 2 A U0 = IX. RE = 200 mV

Resistencias En este caso se mide la caída en la resistencia incógnita RX haciendo circular, a través de la misma, una corriente calibrada generada por una fuente de corriente constante. Utilizando la misma disposición de la figura, la fuente de corriente constante deberá entregar una corriente de 10 mA para lograr los mismos alcances en [V]: RX = 20  UX = 200 mV RX= 200  UX = 2 V RX = 2 K UX = 20 V RX = 20 K UX = 200 V Si el valor de la resistencia RX es muy elevado, se debe disminuir la corriente de la fuente a fin de no elevar demasiado la caída de tensión en RX. Como la corriente puede llegar a ser comparable con la corriente de offset del AO, se adopta un esquema diferente para la medición.

Mediciones en AC El tratamiento de las señales de AC para ser ingresadas al conversor puede hacerse por varios caminos. Todos dan como resultado una señal de tensión DC proporcional al valor eficaz de la señal de AC. El proceso puede seguir dos caminos:  

Determinar el valor de cresta (pico) o el valor medio de la señal de AC y relacionarlo con el valor eficaz, postulando una forma de onda determinada. Calcular directamente el verdadero valor eficaz (true rms).

Los detectores utilizados para la conversión de la señal deben cumplir con las siguientes especificaciones, además de las inherentes a los adaptadores de señales DC: 

El valor máximo que asuma la señal uX (t) no debe superar el límite establecido para el detector a fin de conservar la exactitud especificada y por razones de seguridad. Esto se define a través del factor de cresta de fondo de escala.

Con UP: valor de pico máximo y URMS: valor eficaz fiduciario del equipo 

La exactitud del detector está daba para un intervalo de frecuencias específico o ancho de banda dentro del cual debe estar acotada la frecuencia de la señal uX (t).

La conversión de la señal uX (t) se realiza en un tiempo finito denominado tiempo de integración. Este tiempo está determinado por la mínima frecuencia que se desee medir, es decir con el ancho de banda del detector Detectores de valor medio La señal u (t) de AC se rectifica, en primer lugar, mediante un rectificador de precisión; luego se obtiene el promedio de la señal rectificada con un circuito integrador y, por último, se la escala con un amplificador cuya ganancia es igual al Factor de Forma de Onda (FFO) de la señal de AC seleccionada.

El FFO de diseño adoptado para los voltímetros de AC es el de una señal sinusoidal (FFO = 1.11). Si se mide una señal con una forma no sinusoidal pura se introduce un error sistemático, tanto más elevado cuanto mayor sea el contenido de armónicos de la señal.

Detectores de valor de cresta El detector de valor de cresta proporciona a su salida una tensión DC igual al valor máximo de la señal u (t) de AC; luego se escala esta tensión con un amplificador cuya ganancia es igual a la inversa del Factor de Cresta (FC) de la señal de AC seleccionada. Para el detector de define un FC a fondo de escala como:

El FC de una señal de AC sinusoidal es igual a 1.41). Igualmente al punto anterior, si se mide una señal con una forma no sinusoidal pura se introduce un error sistemático, que es mayor que en el caso del detector de FFO, a igual distorsión de la señal.

El FC debe no debe ser superado del valor de seguridad fijado para lecturas a fondo de escala. Sin embargo puede permitirse el doble de FC en una señal de AC con la mitad del valor máximo correspondiente a fondo de escala. Para evitar los errores inherente a los dos detectores vistos en los puntos anteriores, es necesario contar con uno que dé a su salida una tensión DC proporcional al valor eficaz, independientemente de la forma de onda de la señal uX (t). Esta independencia de la forma de onda está limitada a una distorsión límite, superada la cual él no se cumplen los noveles de exactitud establecidos para el detector. Se distinguen dos tipos de detectores:  Matemáticos.  Físicos Detectores matemáticos: Determinan el valor eficaz de u (t) a partir de su definición matemática:

Cada módulo efectúa electrónicamente las operaciones matemáticas. Se indica en los recuadros una de las formas de elevar al cuadrado y de extraer la raíz cuadrada de la señal. Detectores físicos Físicamente se define el valor eficaz de una señal de AC como aquel valor equivalente de DC que produce, en una misma resistencia, igual potencia (disipación de calor). Haciendo uso de ésta definición, en la figura se implementa el detector midiendo el calor desarrollado en dos resistencias R idénticas, colocadas en el mismo recinto de modo que la temperatura ambiente afecta a ambas en igual medida. Como el calor desarrollado es proporcional al cuadrado de las señales en las resistencias:

Las salidas de los sensores se conectan de forma tal que las tensiones estén en oposición. La salida del amplificador proporciona una UDC sobre la R inferior tal que las tensiones de los sensores sean iguales (igual potencia desarrollada). Con esta condición: UDC = UTRMS Estos detectores tienen un tiempo de integración el alto y son muy sensibles a las sobrecargas Sin embargo la exactitud que se logra es elevada.

Errores inherentes a la instrumentación digital Las fuentes de error asociadas a la instrumentación digital se deben a:  

la inserción del instrumento en el circuito cuyos parámetros se desean medir. la presencia de señales superpuestas a la señal a medir.

Errores de inserción Además del error, ya estudiado, debido a la impedancia de entrada Zi del instrumento, se adiciona un error debido a los AO, los cuales inyectan una corriente de offset (IOFF) al elemento (con una

impedancia ZO) conectado en sus terminales. Esta corriente es muy reducida, del rango de los pA a los nA, pero puede influir en la medición si la impedancia ZO es muy elevada (por ejemplo, si la corriente es IOFF = 10 nA y la impedancia del ZO = 2 M, la caída será de 20 mV)

Errores debidos a señales adicionales Normalmente la señal que se quiere medir tiene adicionadas señales parásitas ( SP), que pueden ser señales de modo serie (superpuestas con la señal a medir) o de señales modo común (común denominador de dos señales que ingresan en amplificadores diferenciales) Señales de modo serie El error cometido en la medición por la presencia de este tipo de señales puede ser muy importante, ya que, como se vio en el tratamiento de los conversores A/D no integradores, originan una incertidumbre en la comparación del valor de la señal con la magnitud de la salida del generador de rampa. Las señales parásitas pueden ser debidas a:  ruido en el ambiente de medida por inducción electromagnética, electroestática o magnética  señales en fuentes de alimentación (ripple)  corrientes erráticas en mallas de blindaje conectadas a tierra en ambos extremos Generalmente el origen de estas señales son las fuentes de AC de la red de potencia, por lo que la frecuencias presentes son la frecuencia f de red y sus armónicos nf : ( uSP(t) = .UnMAX.sen(2.p.n.f.t) El grado de inmunidad de la instrumentación frente a la presencia de estas señales se mide por la relación de rechazo en modo serie o normal, en general expresada en decibeles:

Estas señales se pueden eliminar mediante filtros pasa bajos colocados previamente al conversor A/D o utilizando conversores A/D integradores cuyo período de integración coincida con un número entero de períodos de la señal. El uso de filtros pasa bajos puede, sin embargo, desmejorar el tiempo de conversión lo que en ciertas aplicaciones resulta inaplicable. En los conversores A/D integradores, NMRR tiende a infinito cuando existe coincidencia del período de integración con un número entero de períodos de la señal parásita. Señales de modo común Cuando el instrumento posee entradas flotantes (entrada alta – high, entrada baja – low y terminal común - com), la presencia de la misma señal parásita uSP (t) entre cada una de las entradas y el terminal común da lugar, a la salida del AO diferencial colocado al inicio, de una:

Con:

En este caso, el grado de inmunidad de la instrumentación frente a la presencia de estas señales se mide por la relación de rechazo en modo común, en general expresada en decibeles:

MULTÍMETROS DIGITALES Los multímetros digitales se caracterizan por poseer una pantalla numérica que da automáticamente la lectura con punto decimal, polaridad y unidad (V, A o *). En general, los multímetros digitales ofrecen mejor exactitud y resolución que los multímetros análogos y son más confiables y fáciles de usar. Vienen en una gran variedad de presentaciones y, además de voltaje, corriente y resistencia, en muchos casos pueden también medir frecuencia, capacitancia, inductancia otras cantidades eléctricas. Un multímetro digital típico se compone básicamente de una pantalla, una perilla selectora y los bornes para conectar las puntas de prueba. En muchos casos, la perilla selectora es sustituida por interruptores del tipo a presión (push-button). La mayoría de los fabricantes de multímetros digitales ofrecen una variedad de rios opcionales para sus instrumentos que extienden los rangos o la utilidad de los mismos. Entre estos rios figuran puntas de prueba de alto voltaje, puntas de medición de corriente, dispositivos de medición de luz, etc. La selección de los rios depende de sus necesidades de medición particulares. El aspecto de un multímetro digital es este:

Como puede observarse este polímetro consta de dos voltímetros, dos amperímetros, un óhmetro y un apartado para calcular la hfe de los transistores.

Las partes en las que está divido son: