introducción a los instrumentos de medida electrónicos

7/25/2019 Introduccin a Los Instrumentos de Medida Electrnicos

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1. Introduccin a los instrumentos de medida electrnicos

Los instrumentos de medida electrnicos se emplean para medir magnitudes

elctricas, que son parmetros que describen el comportamiento de componentes

electrnicos pasivos y activos.

1.1. Seales elctricas analgicas y digitales

Una seal es una alteracin que aparece en el valor de una magnitud para

transmitir informacin. Las seales sin informacin se denominan ruido si es del

mismo canal e interferencia si procede de otro, ambas dicultan la obtencin de

informacin.

Una seal elctrica es una alteracin en la tensin, corriente o alguna magnitud

elctrica que transmite informacin. Puede ser generada de forma elctrica o por un

transductor, pudiendo ser anloga o digital.

Las seales anlogas toman cualquier valor dentro de un rango, siendo continuas odiscontinuas, la informacin est en la amplitud o frecuencia, las seales digitales

slo toman uno de los valores de un conunto discreto, la informacin est en

secuencias.

1.1.1.Conversin analgico-digital

Un convertidor analgico!digital "#$% o $%#& da una seal digital a partir de la

amplitud de una seal analgica "tensin&. La tensin de entrada en algunos #$%s

se aplica entre la entrada y la tierra, siendo este un #$% de entrada asimtrica

"single!ended input&, en otros la tensin de entrada se aplica entre dos terminales,

ninguna a tierra, se dice que el #$% tiene entrada diferencial. 'n ambos, el rangode entrada depende de la alimentacin al #$%.

%igitali(ar es comparar la tensin de entradaVx , con niveles de tensin os,

cada uno de los cuales tiene asignado un cdigo digital. 'stos niveles se adquieren

a partir de la tensin de referenciaVref . )e tienen N d*gitos binarios para


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e+presar la salida (2Ncdigos) por lo que ay 2

N1 niveles de comparacin, se

dice que el convertidor tiene una resolucin de N bits.

'l cdigo asignado es el intervalo denido por niveles de tensin inmediatamente

inferiores o superiores a sta, los intervalos tienen un anco uniforme llamado

intervalo de cuanticacin

Q=Vref

2N

's com-n asignar el primer cdigo a la tensin entre 0 y Q , el segundo a

entre Q y 2Q

Dx=ent( VxVref 2N)+1

%ado que a todas las tensiones de entrada cuyo valor est entre dos niveles

contiguos se les asigna el mismo cdigo, ay una discrepancia entre la signicacin

de un cdigo de salida y la tensin real de entrada, esto se puede acacar a un

ruido de cuanticacin cuya amplitud m+ima es Q . 'ntonces la entrada slo se

puede conocer, a partir de la salida, con una incertidumbre de Q .

Los convertidores $% indirectos obtienen, a partir de la amplitud de la entrada, otra

seal analgica como el anco de pulso. La duracin se determina con un contador

lo cual tambin da una incertidumbre de 1 cuenta dependiendo del momento

en que se inicie el contador, la salida se e+presa dependiendo de la cuenta y el

valor que est asignado a sta.

1.1.2.Conversin digital-analgica

Un convertidor %$ entrega una seal analgica equivalente a una digital. La

equivalencia depende de la ponderacin que tenga cada bit, normalmente el pesodel /)0 es 1 y el de los dems equivale a la mitad del anterior.

Vo=( BN2 +BN1

22 +

BN2

23 ++

B2

2N1

+B

1

2N)Vref


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1.2. Conceptos bsicos sobre medidas e instrumentos de medida

/edir es asignar un valor a una magnitud de acuerdo a una regla basada en la

e+perimentacin. 2unciones3

4& %etectar magnitudes con un sensor o transductor

5& Procesar la seal del detector para e+traer informacin6& Presentar, almacenar o transmitir lo adquirido

'n el sistema ace falta alimentacin para cada sub!circuito, el conunto de

elementos en el camino que recorre la seal de medida desde la entrada asta la

salida se denomina cadena de medida.

Un instrumento de medida est diseado para medir. Un instrumento indicador "o

visuali(ador& incorpora una presentacin analgica, digital o codicada. Un

instrumento generador "medidas materiali(adas& o fuente reproduce uno o ms

valores conocidos de una magnitud dada "magnitud suministrada&. 'l menor cambio

del mensurando perceptible que produce un cambio se denomina resolucin.

1.2.1.Estructura general de un instrumento de medida electrnico

La deteccin, procesamiento y presentacin en un instrumento son controladas por

uno o varios procesadores digitales, que se encargan tambin de la interfa( con el

usuario y la comunicacin con otros equipos.


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Los controles y seales de entrada, slo controlan la energ*a de salida, no la

suministran, cualquier tensin en la alimentacin repercute en la seal de salida.

1.2.2.resentacin analgica y presentacin digital

La presentacin analgica es la indicacin en una funcin continua del valor de la

magnitud medida o de la seal de entrada, puede ser de forma grca como lo es

un osciloscopio o en un termmetro, depende de lo que se est midiendo.

Una presentacin digital se caracteri(a por su n-mero de cifras o d*gitos y su

resolucin es la unidad de la cifras menos signicativa. Prescindiendo de la posicin

del signo decimal, la lectura m+ima 6 7 es 6,888 "9,::: cuentas& y de 9 1 es

48,888 "5:,::: cuentas&, medio digito signica que la cifra ms signicativa puede

tomar el valor de 4 pero no el 5, o de 7 puede tomar el valor 6 pero no el 9. Lainformacin digital puede comunicarse a gran distancia, ser procesada,

memori(ada, etc.

1.2.!."todos de medida# medidas directas e indirectas

/todo de medida es la secuencia lgica de operaciones genricas, tericas y

prcticas, para obtener una medida, las operaciones concretas de una medida

constituyen un procedimiento de medida.

'n una medida directa, se lee en el instrumento el valor de la magnitud medida

"tabla o grca&. 'n una medida indirecta, se obtiene el valor de la magnitud

medida aplicando un modelo que relaciona los valores de otras magnitudes

medidas directamente.

'n el mtodo de medida por comparacin se compara la magnitud con una

ya conocida.


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La medida por sustitucin es un mtodo por comparacin en el que la

magnitud medida se sustituye por otra de la misma clase y de valor

conocido, de modo que ambas tengan el mismo efecto sobre el indicador. 'l mtodo de medida diferencial es por comparacin y compara la magnitud

de inters y otra igual, de valor conocido, midindose la diferencia algebraica

entre stas. 'l mtodo de medida por cero es un mtodo diferencial que busca llevar la

diferencia a cero. 'l mtodo de medida por batido es un mtodo diferencial que utili(a el

fenmeno del batido entre frecuencias correspondientes a la que se va a

medir y una de referencia. 'l mtodo de medida por resonancia es por comparacin que obtiene una

relacin conocida entre dos valores comparados de magnitud cuando se

alcan(a una resonancia.

1.2.$.Caracter%sticas de &uncionamiento de los instrumentos de

medida

La magnitud evaluada en el estado que se encuentra el sistema medido durante la

propia medida, se llama mensurando o mesurando. /edir implica una intervencin

inevitable con el sistema medido, llamada carga instrumental. )iempre ay una

incertidumbre inevitable, denominada incertidumbre intr*nseca del mensurando.

Una medida "/& es el conunto de valores que comprende3 un valor ";&, la

incertidumbre "U& y la unidad de medida "


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la incertidumbre U la desviacin t*pica o m-ltiplo de ella "factor de cobertura

k &.

La relacin, bao condiciones espec*cas, entre el valor le*do o salida del

instrumento y el resultado de medida, se establece, por referencia a patronesmediante un conunto de operaciones que forman la calibracin del instrumento.

La curva de calibracin da la relacin entre la lectura y el valor indicado del

mensurando. )u pendiente se denomina constante del instrumento. 'l cociente

entre el cambio en la indicacin y el cambio en el mensurando es la sensibilidad del

instrumento (S= R V) . )ino es una recta la sensibilidad en un punto est enfuncin del mensurando.

'l resultado de una medida est relacionado con la indicacin del instrumento y con

los valores de correccin obtenidos mediante una calibracin y mediante el uso de

un modelo. Las magnitudes de in>uencia pueden proceder del entorno y del propio

instrumento y del sistema medido, y afectan la medicin.

'l campo de medida es el segmento del ee de valores medidos "/& para el que est

denida la curva de calibracin o, los valores del mensurando para el cual se

especican los l*mites de incertidumbre del instrumento. La diferencia entre el

l*mite superior e inferior se denomina intervalo de medida.

1.2.'.Especi(cacin de las caracter%sticas metrolgicas y de

&uncionamiento de los instrumentos de medida.

Las caracter*sticas metrolgicas son los datos concernientes a las relaciones entre

sus lecturas y las medidas de las magnitudes que interaccionan con l. 'l fabricante

debe indicar los valores asignados o los rangos para todas las magnitudes que l

considere que son caracter*sticas metrolgicas aplicables.

Las caracter*sticas de funcionamiento son caracter*sticas que denen la capacidad

de un instrumento para cumplir las funciones deseadas. La estabilidad es la

capacidad de un instrumento para mantener su funcionamiento sin modicaciones

durante un intervalo de tiempo. Una deriva "drift& es un cambio "lento y continuo&

en las indicaciones de un instrumento. Las caracter*sticas metrolgicas y de

funcionamiento se e+presan en3 forma absoluta (U) , se da el valor del dato tal

cual? forma relativa (U/V) es la e+presin mediante la relacin "cociente& con el

valor medido de la magnitud considerada? y forma duciaria (U/Vf) es la


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e+presin mediante la relacin con un valor convencionalmente elegido de la

magnitud considerada, denominado valor duciario.

'l l*mite de incertidumbre es el valor l*mite de la incertidumbre instrumental para

los instrumentos cuando funcionan en unas condiciones espec*cas.

1.!. Incertidumbre en las medidas

La e+presin clsica de la precisin y la e+actitud de los instrumentos y de las

medidas en trminos de @verdadero valorA y @errorA a ido siendo reempla(ada por

una e+presin en trminos de @incertidumbreA.

1.!.1.En&o)ue tradicional# e*actitud y precisin+ error sistemtico y

error aleatorio

La e+actitud es el grado de concordancia entre su resultado y el valor verdadero. La

veracidad es el grado de concordancia entre el valor medido obtenido de una serie

de resultados de medida y el valor real. Un instrumento es ms e+acto cuanto

menor es su sesgo y l*mite de precisin.

Errorde veracidad ( sesgo )=E (X)Valor verdadero

La precisin es el grado de concordancia entre resultados de medida

independientes obtenidos en las condiciones estipuladas. Las condiciones de

repetibilidad corresponden a la situacin en la que todos los factores que pudieranafectar se an en un nivel. Las condiciones de reproductibilidad corresponden a la

situacin en la que todos los factores que pudieran in>uir se dean libres. La

precisin se cuantica mediante una variancia de precisin, o su ra*( cuadrada

positiva, desviacin t*pica de precisin, de la cual se calcula el l*mite de precisin,

que representa la diferencia m+ima probable.

'l error sistemtico es al resultado de la medida lo que la veracidad es al mtodo.

La incertidumbre es un parmetro que caracteri(a la dispersin de los valores3

cuando se repite una medicin, el resultado no es estrictamente idntico.

'rror absoluto3


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Errorasol!to=ValorotenidoValor ve rdadero

Bambin se e+presa de forma duciaria como porcentae respecto a una referencia,

como el valor m+imo de la escala "valor de fondo de escala&.

'rror relativo3

Error relativo=Error asol!to

Valor verdadero100

'rror de una medida3

Error=Error siste"#tico+Erroraleatorio

'l error sistemtico es la resta entre la media aritmtica de un n-mero innito de

medidas del mismo valor de una magnitud, efectuadas en mismas condiciones derepetibilidad. 'l error aleatorio es la diferencia entre el resultado de la medida y la

media aritmtica, proviene de variaciones temporales y espaciales impredecibles.

Para evitar estos errores se utili(a una adicin aritmtica, denominada correccin, o

mediante una multiplicacin tales que compensen el error sistemtico. Los errores

aleatorios se reducen aumentando el n-mero de lecturas.

1.!.2.En&o)ue basado en la incertidumbre

'l resultado de una medida es el conunto de valores atribuidos a un mensurando /

y comprende un valor ";&, la incertidumbre correspondiente "U& y la unidad de

medida "


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La incertidumbre es una componente intr*nseca del resultado, y no se puede

atribuir siempre al mtodo, instrumento o ambos. $l describir el mensurando con

intervalo de valores, no ay un valor verdadero que sirva como referencia para

denir un error.

1.!.!.Estimacin de la incertidumbre de medida en una medida

directa ,nica

'n una medida directa -nica, el valor indicado se toma como valor medido ";& y el

l*mite de la incertidumbre del diagrama de calibracin en las condiciones de

funcionamiento es la incertidumbre de la medida "U&.

1.!.$.Estimacin de la incertidumbre de medida en medidas

indirectas y en medidas por observaciones repetidas

Para obtener el valor indicado y la incertidumbre de cada medida directa a partir delvalor le*do, se procede como en una medida -nica. 'l resultado nal depende de si

es una medida indirecta o una medida por observaciones.


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'n una medida indirecta, la magnitud $ est relacionada funcionalmente con

otras N magnitudesXi que se miden directamente

$=f(X1 % X2 XN)

'l resultado de cada medida directa es un intervalo[xiUi % x i+Ui] . 'l valor medio

para medida indirecta es

$=f(x1 % x2 xN)

La incertidumbre de medida U se calcula con un mtodo que depende de la relacin

que aya entras las Xi .

'n una medida por observaciones repetidas, el valor del mensurando se asigna por

anlisis estad*stico de la distribucin de los valores indicados en sucesivas

observaciones en las mismas condiciones. )i se mide varias veces, la

compatibilidad de los resultados se determina por el solapamiento de sus

intervalos. Puede darse que la incertidumbre instrumental sea demasiado pequea

para asegurar la compatibilidad. 'sto se puede dar por3

'l mensurando es una magnitud con >uctuaciones estad*sticas intr*nsecas.

Los parmetros bsicos son la media y la varian(a. 'l ruido en la transmisin afecta el valor le*do

'n el primer caso3

x=1

Ni=1

N

xi


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)iendo V=x .

Para estimar U,

!

2

(x )=

&2 (x )

N

La desviacin t*pica ser3

! ( x)=&(x )

N

;ariancia e+perimental3

s2

(x )= 1

N1i=1

N

(xix )2

Para calcular U se multiplica la desviacin t*pica por un factor de cobertura k que

depende del nivel de conan(a que se desee para el intervalo

'x=x k (! ( x )=x U( x )

'n el otro caso, ay que separar el ruido de la informacin, mediante un anlisis

estad*stico sobre un conunto de valores le*dos. Cay que eliminar las posibles

lecturas aberrantes. 'stos anlisis necesitan erramientas estad*sticas avan(adas.

1.$. as unidades de medida y sus s%mbolos

Una unidad de medida es una magnitud cuyo valor numrico se admite

convencionalmente como uno. Un sistema de unidades es un conunto de unidades,

establecido para un sistema de magnitudes dado, y comprende un conunto de

unidades, elegidas como bsicas, y sus unidades derivadas. 'n ingenier*a se

emplea el )istema Dnternacional de unidades ")D&.

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