domingo, 8 de junio de 2014

Características generales de los instrumentos de mediciones eléctricas




















Los instrumentos de medición son los que hacen posible la observación de cualquier fenómeno físico y su cuantificación en el proceso de medición. Al realizar una medición en el mundo real, los instrumentos no son sistemas ideales, por lo tanto, tienen una serie de limitaciones que se deben tomar en cuenta para poder juzgar si afectan de alguna manera las mediciones que se realizan, y así determinar la veracidad de las mediciones.

Los instrumentos de medición son los que hacen posible la observación de cualquier fenómeno físico y su cuantificación en el proceso de medición. Al realizar una medición en el mundo real, los instrumentos no son sistemas ideales, por lo tanto, tienen una serie de limitaciones que se deben tomar en cuenta para poder juzgar si afectan de alguna manera las mediciones que se realizan, y así determinar la veracidad de las mediciones.

1.- Términos relacionados con la señal


1.1-Variable de Medida: es la cantidad física, propiedad o condición que es medida. Ejemplo: Temperatura, presión, flujo, velocidad, resistencia eléctrica, etc.

1.2-Señal de Medida: son señales eléctricas, neumáticas o de cualquier tipo aplicada al instrumento. Es la salida de un transductor, cuando este es usado para la medición de una variable. En un termómetro de termopar, la señal medida es una fuerza electromotriz (FEM), que es una variable eléctrica analógica, dependiente de la temperatura aplicada al termopar. En un sistema de tacómetro eléctrico, la señal de medida puede ser un voltaje analógico proporcional a la velocidad de rotación de la parte acoplada del tacómetro al generador.

1.3-Señal de entrada: es la señal aplicada directamente al elemento o entrada del instrumento.

1.4-Señal de salida: es la señal procesada entregada por un instrumento.

2.- Términos relacionados con el rango


2.1-Rango: es el conjunto de valores de la variable medida, que están comprendidos dentro de los límites superiores (URV: Upper Range Value) e inferior (LRV: Lower Range Value) de la capacidad de medida o de transmisión de un instrumento. Ejemplo:
0 – 150 ˚C
100 – 300 ˚C
-20 – 200 ˚C

2.2-Alcance (span): es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento: span= URV - LRV Ejemplo:
Rango: -20 - 200 K;
Span= 220 K

2.3-Sobrealcance y subalcance: de un sistema o elemento, es cualquier valor que exceda a la señal de entrada por arriba o por abajo del valor del rango.

3. - Términos relacionados con la calidad de la lectura


La fineza con la cual, una variable puede ser medida depende de una cantidad de factores. La longitud de la escala y el número de graduaciones de la escala influyen notablemente en la calidad de la observación. Obviamente una escala muy grande y un número grande de las graduaciones de la misma escala resultaran en más precisión y exactitud en la observación. Los siguientes términos son algunos involucrados en la observación:

3.1-Resolución: es el menor incremento que puede ser detectado con certidumbre entre dos unidades de medida discretas, o es el menor cambio en la entrada que se puede medir. La resolución puede ser expresada en unidades de la variable medida o en porcentaje del fondo escala, del alcance, etc.

3.2-Sensibilidad: es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la magnitud que lo ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo. En general, es la pendiente de la curva de calibración. Se pueden observar los siguientes ejemplos:

Para un miliamperímetro: la sensibilidad viene dada por el número de divisiones cuando por el circula la corriente de 1 mA. Las unidades de este parámetro son div/mA. Si dos miliamperímetros tienen el mismo número de divisiones en su escala, pero el primero sufre una deflexión de dos divisiones cuando circula 1 mA, mientras que el segundo detecta 10 divisiones para la misma corriente, éste último es mucho más sensible que el primero.

Para un voltímetro: como de la definición general se deduce, la sensibilidad vendría dada por el número de divisiones detectadas cuando en sus extremos hay una caída de de 1 V.

4. - Términos relacionados con la exactitud - Condiciones estáticas


4.1-Exactitud y precisión: se dice que el valor de un parámetro (Xm) es muy exacto cuando se aproxima mucho al valor verdadero (Xv). Se dice que el valor de una medida es muy preciso cuando ésta muy bien detenido, por ejemplo: Si se dispone de un voltímetro digital de 3 ½ dígitos y otro de 4 ½ dígitos, uno de ellos es más preciso que el otro, para ello se determina:


- La indicación de cada voltímetro:

Para el voltímetro de 3 ½ dígitos, se tienen 3 dígitos, es decir, tres valores que varían de 0 a 9 y para el ½ dígito, el denominador expresa dos posibles valores, mientras el numerador indica el valor máximo que toma de esos dos posibles valores, el valor será uno. Por ello se tiene para la indicación máxima del voltímetro: 1999.

Para el voltímetro de 4 ½ dígitos, la indicación máxima es: 19999.

- Ahora se deben comparar la indicación de cada uno de los voltímetros, para ello se debe medir en los mismos rangos de medida o los rangos más próximos posible. Para el ejemplo si se mide en el rango de 2 V, se observa:

Voltímetro de 3 ½ dígitos, URV: 1.999 V = 2 V
Voltímetro de 4 ½ dígitos, URV: 1.9999 V = 2 V
El voltímetro de 4 ½ dígitos es el más preciso.

En cuanto a la exactitud hay varias formas de expresarla:

a.- En tanto por ciento del alcance
Ejemplo: lectura = 150 ˚C; alcance = 200 ˚C
exactitud = 0.5 %
valor real = 150 ˚C ± 0.5ₓ200/100
150˚C ± 0.1˚C

b.- En términos de la variable medida
Ejemplo: exactitud = ± 1˚C
Todo valor de temperatura que se mida tendrá una exactitud de ± 1˚C

c.- En tanto por ciento de la lectura realizada
Ejemplo: exactitud = ±1 %; Lectura = 150 K
valor real = (150 ± 1.5) K

d.- En tanto por ciento del valor máximo del alcance (span)
Ejemplo: exactitud = ±0.5 % span;  alcance (span) = 300˚C
exactitud = ±1.5˚C

4.2-Error: se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero, es decir:
E = Vm-Vv, donde: E= error; Vm = Valor medido; Vv = Valor verdadero

4.3-Corrección: la corrección se define como la diferencia algebraica entre el valor verdadero y el valor medido, es decir:
C = Vv - Vm ; C = Corrección ; C = - E

4.4-Clase de un instrumento: la sensibilidad y la exactitud, constituyen criterios para determinar la calidad de un instrumento de medición. Es así, como las normas de la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) establecen que todos los instrumentos de medición deben llevar un signo de calidad, en el que se indiquen las cualidades de los instrumentos. De acuerdo a estas normas, se distinguen siete (7) clases de instrumentos de medicón.

Clases: 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5 y 5

La clase expresa, en tanto por ciento, el error máximo de medición con respecto: al valor de la lectura, al alcance o a cualquier valor del rango.

Ejemplo: clase 1.5; Fondo escala = 100.0 mA
El error máximo resultaría = ±1.5 %, es decir, ±1.5 mA

Para las siete clases de instrumentos, se ha hecho una agrupación que establece el uso que tienen, como se describe a continuación:

- Instrumentos de clase 0.1 y 0.2, para exactitud científica.
- Instrumentos de clase 0.5 y 1.0, para uso en laboratorio.
- Instrumentos de clase 1.5 a 5, para uso en talleres industriales.

4.5-Repetibilidad: es la habilidad de un instrumento a reproducir una lectura de salida cuando el mismo estímulo le es aplicado consecutivamente bajo las mismas condiciones y en la misma dirección. La repetibilidad es expresada como la máxima diferencia entre las lecturas de salida.

Se expresa en tanto por ciento del rango o el alcance, por ejemplo ± 0.1 % del alcance o 0.1 %.

4.6-Regulación de carga: es un cambio no deseado en la señal de salida debido a la tolerancia de los elementos componentes del instrumento, que se mantiene constante en un período de tiempo, lo cual, requiere ser tomado en cuenta al calibrar o realizar una medición.

4.7-Zona muerta: es el rango de valores a la entrada al instrumento que pueden ser variados sin que se inicie una respuesta observable, como se muestra figura.

La zona muerta se puede expresar en tanto por ciento del alcance del instrumento.

4.8-Linealidad: por lo general los instrumentos se diseñan de forma que tengan una respuesta lo más lineal posible, es decir, que para un determinado incremento del parámetro que estamos midiendo, el desplazamiento correspondiente del indicador sea siempre el mismo, independientemente de la posición de éste.



4.9-Fiabilidad: es la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un determinado tiempo y bajo condiciones especificadas de operación.

4.10-Característica de la respuesta de frecuencia: Los instrumentos eléctricos o electrónicos pueden estar diseñados para realizar mediciones en régimen permanente (corriente directa dc) o régimen alterno (corriente alterna ac). Por ello antes de realizar la medición con un instrumento es necesario conocer la respuesta de frecuencia o la banda de frecuencias que cubre. Ya que no todos los instrumentos pueden responder a todas las frecuencias, sino que cada uno de ellos tiene un ancho de banda determinado.

La mayoría de los instrumentos diseñados para medir señales ac, tienen una respuesta de frecuencia como la mostrada en el diagrama de Bode (ganancia) figura, donde a partir de la frecuencia f2 la respuesta comienza a caer. Si por ejemplo se tiene un voltímetro que posee una respuesta de frecuencia de 10 a 100 Hz, y se mide con él un voltaje alterno eficaz de 10 V; 60 Hz, el voltímetro indicara una cantidad aproximadamente de 10 V, pero si la frecuencia de la señal es 200 Hz, con el mismo voltaje eficaz de 10 V, el voltímetro indicará una cantidad menor. También se observa en la figura, que para frecuencias menores de f1 el instrumento no tiene una respuesta satisfactoria. Esto se debe precisamente a las características del diseño.


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