Medir: Validación de una ley, armar circuitos y medir para ver si se cumple una ley de ohm verificar midiendo las variables. Medición con objeto de mantenimiento, calibración, supervisión, evaluación de prototipos de diseño, procesos que requieran supervisión (monitoreo continuo) a fin de tomar decisiones importantes sobre su operación.

Alguna de las definiciones importantes que se deben de considerar al momento de medir son las siguientes:

Exactitud: la exactitud de una medición especifica la diferencia entre el valor medido y el valor real de una cantidad. La desviación del valor verdadero es un índice de que tan exactamente se ha llevado a cabo una lectura.

Precisión: la precisión especifica la repetibilidad de un conjunto de lecturas, hechas cada una en forma independiente con el mismo instrumento. Se determina una estimación de la precisión mediante la desviación de la lectura con respecto al valor promedio.

Las mediciones juegan un papel importante en la validación de las leyes de la ciencia. También son esenciales para estudiar, desarrollar y vigilar muchos dispositivos y procesos. Sin embargo el proceso mismo de medir implica muchos pasos antes de producir un conjunto útil de información. Para estudiar los métodos que produzcan mediciones efectivas se considera el proceso de medición como una secuencia de 5 operaciones:

Operación # 1: El diseño de un dispositivo eficiente de medición, este paso comprende una selección adecuada del equipo disponible y una interconexión correcta de los diferentes componentes e instrumentos.

Operación # 2: Manejo inteligente de aparatos de medición.

Operación # 3: El registro de los datos de modo claro y completo. La información registrada debe darnos una referencia inequívoca para interpretaciones futuras.

Operación # 4: El calculo de la exactitud de la medición y las magnitudes de los posibles errores implícitos.

Operación # 5: La preparación de un informe que describa la medición y sus resultados par aquellos que puedan utilizarse en su empleo.

La finalidad de Medir es con el objeto de mantenimiento, calibración, supervisión, evaluación de prototipos de diseño, proceso que requieran supervisión (monitoreo continuo) a fin de tomar decisiones importantes sobre su operación.

Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan variados como voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y potenciómetros. Los métodos para medir corrientes emplean los instrumentos llamados amperímetros.

Un amperímetro siempre se conecta en serie con una rama del circuito y mide la corriente que pasa a través de él. Un amperímetro ideal sería capaz de efectuar la medición sin cambiar o perturbar la corriente en la rama. Sin embargo, los amperímetros reales poseen siempre algo de resistencia interna y hacen que la corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor.

En forma inversa, un voltímetro se conecta en paralelo con los elementos que se miden. Mide la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos en los cuales se conectan. Al igual que el amperímetro ideal, el voltímetro ideal no debería hacer cambiar la corriente y el voltaje en el circuito que se está midiendo. Esta medición ideal del voltaje sólo se puede alcanzar si el voltímetro no toma corriente alguna del circuito de prueba. Sin embargo, la mayoría de los voltímetros reales trabajan tomando una corriente pequeña, pero finita y por lo mismo también perturba el circuito de prueba hasta cierto grado.

Los medidores que determinan el voltaje y/o corriente se pueden agrupar en dos clases generales:

Multímetro Analógico (VOM)

Los multímetros analógicos son instrumentos de laboratorio y de campo muy útiles y versátiles, capaces de medir voltaje en corriente alterna (C.A.) y corriente directa (C.D.), corriente, resistencia, ganancia de transistor, caída de voltaje en los diodos, capacitancia e impedancia.

Este tipo de medidores emplea mecanismos electromecánicos para mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua. Es decir, el proceso que realizan es analógico y la salida es analógica (agujas).

Los multímetros digitales han tomado el lugar de la mayoría de los multímetros con movimientos de D' Arsonval por dos razones principales: mejor exactitud y eliminación de errores de lectura.

Por otro lado, todavía se emplean los medidores analógicos que incorporan movimientos de D' Arsonval, ya que se emplean todavía para aplicaciones en las que se deben observar las indicaciones de muchos medidores de un vistazo. Por ejemplo, la mayoría de las subestaciones de servicio eléctrico emplean medidores analógicos que tratar de recordar 30 números y sus valores de seguridad.
 
 

Movimiento de D' Arsonval

El mecanismo sensor más común que se emplea en los amperímetros y vólmetros electromecánicos es un dispositivo sensor de corriente llamado galvanómetro de D' Arsonval o movimiento de imán permanente y bobina móvil. Este mecanismo fue desarrollado por D' Arsonval en 1881. También se emplea en algunos óhmetros, medidores rectificadores de corriente alterna y puentes de impedancia. Su aplicación tan difundida se deba a su sensibilidad y exactitud extremas. Se pueden detectar corrientes de menos de 1m A mediante instrumentos comerciales. (Algunos instrumentos de laboratorio que emplean los movimientos de D' Arsonval pueden medir corrientes tan pequeñas como 1.0 X 10^-13 A). El movimiento detecta la corriente empleando la fuerza que surge de la interacción de un campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La fuerza se emplea para generar un desplazamiento mecánico, que se mide en una escala calibrada.

Las cargas que se mueven en forma perpendicular al flujo de un campo magnético experimentan una fuerza perpendicular tanto al flujo como a la dirección de movimientos de las cargas. Como la corriente que pasa por un conducto de debe a un movimiento de cargas, esas cargas estarán sujetas a la fuerza magnética si se orienta adecuadamente al conductor dentro de un campo magnético. La fuerza se transmite mediante las cargas a los átomos en un conductor, y se fuerza al conductor mismo a moverse.

La dirección de la fuerza en el conductor que lleva la corriente se encuentra fácilmente mediante la regla de la mano derecha. El dedo índice apunta en la dirección de la corriente convencional y el dedo medio apunta en la dirección del campo magnético. La ecuación vectorial que define a esta fuerza es:

Siendo F la fuerza en newtons en el conductor, i es la corriente en amperes, L es la longitud en metros y B se representa por X.

En algunos medidores analógicos las escalas son no lineales. Esto se debe por lo general a que el campo magnético no es uniforme en toda la zona entre las piezas polares del imán. Para que la indicación del medidor sea exacta, la escala del medidor debe desviarse de la linealidad para compensar esa falta de uniformidad del medidor.

El mecanismo o movimiento que patentó D' Arsonval se basa en este principio. Una bobina de alambre se fija en un eje que gira en dos cojinetes de joya. La bobina puede girar en un espacio entre un núcleo cilíndrico de hierro suave y dos piezas polares magnéticas. Las piezas polares crean el campo magnético y el núcleo de hierro restringe el campo al espacio de aire (entrehierro) entre él y las piezas polares. Si se aplica una corriente a la bobina suspendida, la fuerza resultante hará que gire. A este giro se oponen dos resortes pequeños que originan un par (fuerza giratoria) que se opone al par magnético. Las fuerzas de los resortes se calibran de modo que una corriente conocida origine una rotación de ángulo conocido.(También, los resortes sirven como conexiones eléctricas para la bobina.) El puntero liviano muestra la cantidad de rotación sobre una escala calibrada.

La desviación de la aguja es directamente proporcional a la corriente que fluye en la bobina, siempre que el campo magnético sea uniforme y la tensión del resorte es lineal. En ese caso, la escala del medidor también es lineal. La exactitud de los movimientos de D' Arsonval que se emplean en los medidores comunes de laboratorio es de aproximadamente el 1% de la lectura de la escala completa.

Movimiento del electrodinamómetro

El movimiento del electrodinamómetro se emplea en la construcción de voltímetros y amperímetros de gran exactitud, así como wáttmetros y medidores de factor de potencia. Al igual que el mecanismo de D' Arsonval, trabaja también como dispositivo sensor de corriente. Se puede obtener exactitudes muy altas con el empleo de este mecanismo porque no utilizan materiales magnéticos (los cuales poseen propiedades no lineales).

En contraste con el movimiento de D' Arsonval, que emplea un imán permanente como fuente del campo magnético, el electrodinamómetro crea un campo magnético con la corriente que mide. Esta corriente pasa por dos devanados del campo y establece el campo magnético que interacciona con la corriente en la bobina móvil. La fuerza en esa bobina, debido a los campos magnéticos de las bobinas fijas, hace que gire la bobina móvil. La bobina móvil se fija a un puntero que se mueve a lo largo de una escala cargada para indicar el valor de la cantidad que se esté midiendo. El conjunto completo del mecanismo se monta en una caja blindada de hierro para aislarlo de cualquier campo magnético parásito.

El movimiento del electrodinamómetro produce una lectura de gran exactitud, pero está limitado debido a sus necesidades de potencia. El campo magnético de los devanados estacionarios, producido por una corriente de pequeña es mucho más débil que el campo permanente del movimiento de D' Arsonval.
 
 

AMPÉRMETRO ANALÓGICO DE CD

Los amperímetros electromecánicos industriales y de laboratorio se emplean para medir corrientes desde 1m A (10^-6 A) hasta varios cientos de amperes. El movimiento de D' Arsonval se emplea en la mayoría de los amperímetros de corriente directa como detector de corriente. Los medidores típicos para banco de laboratorio tienen exactitudes de aproximadamente 1 % del valor de la escala completa debido a las inexactitudes del movimiento del medidor. Además de este error, la resistencia de la bobina del medidor introduce una desviación con respecto al comportamiento de un amperímetro ideal. El modelo que se emplea para describir un amperímetro real en términos de circuito equivalente es una resistencia R_m (de igual valor que la resistencia de la bobina y los conductores del medidor) en serie con un amperímetro ideal.
 
 

CORRIENTE	RESISTENCIA	CAIDA DE VOLTAJE
50 m A	1000-5000	50 mV-250mV
500 m A	100-1000	50 mV-500 mV
1 mA	30-120	30 mV-120 mV
10 m A	1-4	10 mV-40 mV

 

Ejemplo 1.1

Se tiene un amperímetro de 50 m A que tiene una resistencia interna de 2.5 K (K = 10³), y se desea medir la corriente que pasa en una rama que contiene una resistencia de 200 K . Calcúlese:

a) El error introducido por la resistencia adicional del amperímetro en el circuito.
b) La indicación del amperímetro si se aplican 7.2 V en las terminales de la rama.

a) Sin el amperímetro en el circuito, 7.2 V aplicados a 200 K producirán una corriente de:

 

I = V / R₁ = 7.2 / 200K = 36 m A

de 202.5 K . Así, si se aplican 7.2 V a esta nueva resistencia, se tendrá una corriente de

El error en la lectura originado por R_M del amperímetro es
 

	(36 X 10-6) - (35.56 X 10-6)
Error =	-------------------------------------	X 100% = 1.23%
	(36 X 10-6)

La sensibilidad de un amperímetro indica la corriente mínima necesaria para una desviación de toda la escala.

Un shunt es un trayecto de baja resistencia conectado en paralelo con el movimiento del medidor. El shunt permite que una fracción específica de la corriente que pasa por la rama del circuito rodee el movimiento del medidor. Si se sabe con exactitud cómo se divide la corriente, la fracción de ésta que pasa por el movimiento puede indicar la corriente total que pasa por la rama en la que se conecta el medidor.
 

Ejemplo 1.2

Dado un movimiento para 1mA con una resistencia interna (de bobina) de 50  , se desea convertirlo a un amperímetro capaz de medir hasta 150 mA. ¿Cuál será la resistencia necesaria del shunt?

Solución :

Si el movimiento puede manejar un máximo de 1 mA, el shunt tendrá que conducir el resto de la corriente. Así, para una desviación de escala completa.
 

I _shunt = I _total - I _movimiento
      = 150 -1
         = 149 mA
 

Como las caídas de voltaje a través del shunt y del movimiento son iguales (en virtud de estar conectadas en paralelo), entonces
 
 

Vshunt	=	V movimiento
I shuntR shunt	=	I MR M
		I MR M	(0.001)(50)
R shunt	=	------------------- =	--------------------
		I shunt	0.149
R shunt	=	0.32

VÓLTMETROS ANALÓGICOS DE CD

La mayor parte de los vólmetros emplean también el movimiento de D' Arsonval. Este movimiento se puede considerar en sí mismo un vólmetro, si se considera que la corriente que pasa por él, multiplicada por su resistencia interna, origina una determinada caída de voltaje. Para aumentar el voltaje que se puede medir mediante ese instrumento, se agrega una resistencia más en serie a la resistencia propia del medidor. La resistencia adicional (que se llama un multiplicador) limita la corriente que pasa por el circuito del medidor.
 

Ejemplo 1.3

Si se desea emplear un medidor de 1 mA y 50  como vólmetro con escala de 10 V, ¿qué resistencia se debe colocar en serie con el movimiento?

Solución:

A escala máxima, pasa 1mA por el medidor. Si se han de medir 10 V, la resistencia total necesaria es:
 
 

	V	10 V
R total	= ------------	= -----------------	= 10,000
	I	0.001 A

Como la resistencia del movimiento es 50  , la resistencia agregada debe ser
 
 

                    o
                                                                      R _series = 9950 
 

Para construir un vólmetro de múltiple rango, se puede emplear un interruptor que conecte resistencias de varias magnitudes en serie con el movimiento del medidor. Para obtener una deflexión hacia los valores altos de la escala, los bornes se deben conectar con el vólmetro con la misma polaridad que las marcas de las terminales. Los voltímetros típicos de corriente directa (CD) de laboratorio tienen exactitudes de ± 1 % de la escala completa.

La sensibilidad de un vólmetro se puede especificar por el voltaje necesario para una deflexión de escala completa. Pero otro criterio de sensibilidad, que se usa ampliamente, es la capacidad de ohms por volts.
 

Figura 1-1. Voltímetro básico de CD.
 

Figura 1-2. Voltímetro de varios rangos.
 
 

OHMETRO

Es un instrumento que mide la resistencia o simplemente continuidad, de un circuito o parte del directamente en ohmios sin necesidad de cálculos, su principio de funcionamiento se basa en el método del voltímetro para medir resistencias y se configura habitualmente en circuitos tipo serie y/o derivación.
 

OHMETRO TIPO SERIE

El ohmetro tipo serie consta de un galvanómetro o movimiento D`Arsonal conectado en serie con una resistencia y una batería, con un par de terminales a los cuales se conecta la resistencia desconocida. La corriente que circula a través del galvanómetro depende de la magnitud de la resistencia desconocida y la indicación del medidor es proporcional a su valor, siempre y cuando se hayan tomado en cuenta los problemas de calibración.
 

R₁ = resistor limitador de corriente.
R₂ = resistor de ajuste a cero.
E = batería interna.
R_m = resistencia interna del galvanómetro d' Arsonal.
R_x = resitor desconocido.

Cuando la resistencia desconocida R_x = 0 (terminales A y B en cortocircuito), circula corriente máxima en el circuito. En estas condiciones, la resistencia de derivación R₂ se ajusta hasta que el galvanómetro indique la corriente a escala completa (I_fsd). La posición de la aguja para la corriente de escala completa se marca "0  ". En forma similar, cuando R_x =  (terminales A y B abiertas) la corriente en el circuito es cero y el galvanómetro indica cero corriente, esta posición se marca " " en la escala. Se colocan las marcas intermedias en la escala conectando valores conocidos de resistencia R_x en las terminales del instrumento. La exactitud de estas marcas depende de la exactitud respectiva del galvanómetro y de las tolerancias de las resistencias de calibración.

Aun cuando el ohmetro tipo serie es un diseño popular y se utiliza extensamente en los instrumentos portátiles para servicio general, tiene ciertas desventajas. Las más importantes se relacionan con la disminución del voltaje de la batería interna con el tiempo y el uso, de forma que la corriente a escala completa disminuye y el medidor no lee "0" cuando A y B están en cortocircuito. La resistencia de derivación R₂ provee un ajuste para contrarrestar el efecto de la descarga de la batería. Es posible ajustar la aguja a escala completa con R₁ eliminando a R₂, pero esto cambiaría la calibración en toda la escala. El ajuste de R₂ es una mejor solución, ya que la resistencia equivalente del paralelo de R₂ y la bobina R_m siempre es baja

Comparada con R₁, y por consiguiente el cambio requerido en R₂ para el ajuste no cambia mucho de calibración.

Una cantidad conveniente al uso en el diseño de un ohmetro tipo serie es el valor de R_x que origina media deflexión en el medidor. A esta posición, la resistencia a través de las terminales A y B se define como la resistencia de media escala R_h. El circuito es analizable a partir de la corriente a escala completa I_fsd y la resistencia interna del galvanómetro R_m, se reduce la corriente a 1/2 I_fsd, y la resistencia desconocida debe ser igual a la resistencia interna total del ohmetro.
 

R₂R_m

R_h = R₁ + --------------

R₂ + R_m

La resistencia total que se presenta a la batería es igual a 2R_h, y la corriente necesaria para la deflexión a media escala de
 

E

I_h = -----------

2R_h

Para producir la deflexión a plena escala, la corriente por la batería se debe duplicar, o sea
 

E

I₁ = 2I_h = ------

R_h

La corriente de derivación a través de R₂ es

El voltaje en la resistencia de la derivación (E_sh) es igual al voltaje en el galvanómetro
 

    E_sh = E_m o I₂R₂ = I_fsdR_m

I_fsd R_m

R₂= ---------------

I₂

I_fsdR_m                 I_fsdR_mR_h

R₂ = ----------------- = -----------------

I₁ - I_fsd                E - I_fsdR_h

Resolviendo la ecuación arriba mencionada por R₁, se obtiene
 

R₂ R_m

R₁ = R_h - --------------

R₂ + R_m

Al sustituir las ecuaciones anteriores y al despejar R₁, se tiene
 

I_fsdR_mR_h

R₁ = R_h - ------------

E

Este consiste de una batería enserie con una resistencia de ajuste R₁ y un galvanómetro D' Arsonal. La resistencia desconocida se conecta a través de las terminales A y B, en paralelo con el medidor. Para este circuito es necesario tener un interruptor que desconecte la batería cuando no se use el instrumento. Cuando la resistencia desconocida R_x = 0  ( A y B están abiertas), las corrientes circulará únicamente a través del medidor; y con la apropiada selección del valor de R₁, se puede hacer que la aguja marque escala completa. De esta forma, el ohmetro tiene la marca "cero" en el lado izquierdo de la escala ( no circula corriente) y la marca "infinito" en el lado derecho de la escala ( corriente de deflexión a plena escala).

El ohmetro tipo derivación es adecuado para medir valores bajos de resistencia; no se suele emplear en los instrumentos de prueba, pero se encuentra en los laboratorios o para aplicaciones especiales de medición de resistencia baja.

El análisis del ohmetro tipo derivación es similar al del ohmetro tipo serie.

Medidor es

E

I_fsd = --------------

R₁ + R_m

Donde:

E = voltaje de la batería interna
R₁ = resistor limitador de corriente
R_m = resistencia interna del galvanómetro

E

R₁ = ------ - R_m

I_fsd

Para cualquier valor de R_x conectado a través de las terminales del medidor, la corriente por el medidor decrece y esta dada por

E                                     R_x

I_fsd =--------------------------           X ------------

R₁ + [R_m R_x /(R_m +R_x)]        R_m + R_h

La corriente del medidor para cualquier valor de R_x, expresada como una fracción de la corriente a escala completa es

I_m             R_x (R₁ + R_m )

S= ------     = -------------------------------

I_fsd          R₁(R_m + R_x) + R_m R_x

    O
 

R₁ R_m
------------ = R_p
R₁ + R_m

Y sustituyendo las ecuaciones anteriores se obtiene
 

R_x

S = -------------

R_x + R_p

Si se utiliza la ecuación anterior, el medidor se calibra calculando s en términos de R_x y R_p .

Para la lectura de media escala del medidor ( I_m = 0.5 I_fsd ) la ecuación anterior se reduce a

ER_h

0.5 I_fsd = --------------------------

R₁ R_m + R_h (R₁ + R_m )

Donde R_h = resistencia externa que produce media deflexión. Para determinar los valores sobre la escala para un valor de R₁,

R₁ R_m

R_h = --------------------

R₁ + R_m

El análisis muestra que la resistencia de media escala está determinando por el resistor limitador R₁ y la resistencia interna del galvanómetro R_m. La resistencia limitadora, de deflexión a plena escala I_fsd.
 

Amperímetros y voltímetros analógicos para CA

Las señales eléctricas que cambian en amplitud y dirección periódicamente a través del tiempo se miden con los medidores de corriente alterna. Estos medidores pueden responder al valor pico, promedio, o efectivo de las señales periódicas de corriente alterna que se les aplique. Esos medidores también se calibran para indicar sus salidas en términos de uno de esos tres valores característicos de señales de CA. Como resultado, si se deben efectuar mediciones exactas de señales de CA, se deben seguir las referencias que se dan a continuación. Primero, se debe considerar qué valor característico de la onda se busca (promedio, pico o efectivo). A continuación, si es posible, se selecciona un medidor que responda y que esté calibrado para indicar su salida en esa característica. Si ello no fuera posible, se necesita calcular un factor de corrección entre la indicación que se obtiene y el valor deseado de la característica. Sin embargo, en ese caso probablemente sea más fácil y más exacto observar y medir el valor de la característica deseada de la onda real con un osciloscopio o analizador de espectro y no con el medidor que se tenga a mano.
 

Figura 1-3. Formas de onda para corriente alterna.
 

COMO EMPLEAR LOS MEDIDORES BÁSICOS

• Los amperímetros siempre se conectan en serie con la rama cuya corriente se ha de medir y nunca en paralelo. Se puede destruir el amperímetro si se conecta en paralelo por equivocación. Su baja resistencia puede permitir que pase la suficiente corriente en el medidor para la suficiente corriente en el medidor para quemarlo. El voltímetro se conecta en paralelo a la porción del circuito cuya caída de voltaje se desea medir.

• Asegúrese que la aguja esté siempre en cero antes de conecta un medidor. Si no indica cero, ajústese con el tornillo de ajuste a cero en la cara del medidor.

• No maneje los medidores con rudeza. El eje y sus cojinetes se dañan fácilmente por golpes violentos o vibración.

• Para obtener el movimiento del medidor, cuando se tienen rangos múltiples, inicie todas las mediciones de cantidades desconocidas ajustando al instrumento en su escala mayor. Tómese como indicación final la deflexión que quede más cerca del valor de escala completa. Esta indicación final será el valor más exacto.

• Descánsense los medidores portátiles sobre sus partes traseras. Esto ayudará a evitar que se volteen y se dañen.

• Se deben corregir las lecturas para todo efecto de carga originado por la presencia del medidor en el circuito.

• Para dar lecturas escala arriba, se deben conectar los medidores de cd de modo que las terminales del medidor estén unidas a los puntos en el circuito de prueba cuyas polaridades sean iguales. Las conexiones de polaridad invertida pueden conducir a daños del movimiento a causa del golpe del puntero contra el tope de reversa.

• Los medidores de CA -de aleta de hierro, electrodinamómetros, y los electrostáticos- pueden conectarse sin tomar en cuenta la polaridad.

• Manténganse los medidores alejados de conductores con mucha corriente. Los campos magnéticos asociados con las corrientes pueden interferir con los campos magnéticos del movimiento del medidor e introducir errores.

• Para los multímetros:

a).- Cuando no se usen, téngase el selector de función en las escalas de alto voltaje de CD. esto evita que se descargue la batería si ocurre un corto accidental entra las puntas. También protege al circuito rectificador contra conexiones accidentales como una fuente de CD.

b).- Verifíquese la batería o pila para asegurarse que esté trabajando con un voltaje mayor que el mínimo permitido.

c).- Utilícese cada una de las funciones del medidor tal como si se empleara un instrumento especial únicamente.

d).-Si el óhmetro no se puede llevar a cero cuando las puntas de prueba estén en corto, se le debe cambiar la batería.
 

• Los medidores se deben calibrar una vez al año de conformidad con las especificaciones del fabricante. Adhiérase una etiqueta de calibración al medidor en donde aparezca la fecha en la que se hizo la última calibración.

ERRORES DE MEDIDORES

• Error de escala. Marcas inexactas en la escala durante la calibración o la fabricación. Son igualmente probables en toda la escala.

• Error de cerro. Omisión de ajuste a cero antes de efectuarse las mediciones.

• Error de paralaje. Originado por no tener la línea de visión exactamente perpendicular a la escala de medida. Se puede eliminar algo con un espejo bajo la escala o la aguja.

• Error de fricción. Si está dañado o gastado el cojinete, su fricción puede evitar que la aguja indique un valor verdadero. Se puede eliminar algo golpeando suavemente al medidor cuando se hace una medición.

• Efectos de temperatura sobre los imanes, resortes y resistencias internas. Estos errores son proporcionales al por ciento de deflexión.

• Error originado por desalineación entre el eje y la bobina en el cojinete; se reduce manteniendo al eje en posición vertical.

• Aguja doblada o aguja rozando contra la escala.

• Baja exactitud. Si se dice que un medidor es exacto hasta determinado porcentaje, estos generalmente se refiere a la lectura de escala completa. Para las lecturas menores, el porcentaje real de error puede ser mucho mayor. Esto se aplica sólo a los medidores analógicos.

• Error de efecto de carga debido a la utilización de un instrumento no ideal en un circuito. Se puede calcular la perturbación del circuito por el instrumento y se puede compensar en la indicación, si no se dispone de un medidor con menos efecto de carga.

• Errores específicos asociados con los principios de operación y el diseño de un medidor en particular. La magnitud de esos errores se calcula a partir del conocimiento del medidor y de su funcionamiento.

• Error de ruido en modo común. El ruido en modo común puede originar errores serios en muchos sistemas de medición electrónica.

Medidores Digitales

Multímetro Digital (DMM)

Están diseñados para medir cantidades como: voltaje de CD, voltaje de CA, corrientes directa y alterna, temperatura, capacitancia, resistencia, inductancia, conductancia, caída de voltaje en un diodo, conductancia y accesorios para medir temperatura, presión y corrientes mayores a 500 amperes.

La mayoría de los multímetros digitales se fabrican tomando como base ya sea un convertidor A/D de doble rampa o de voltaje a frecuencia. Muchos multímetros digitales son instrumentos portátiles de baterías.

El medidor electrónico digital (abreviado DVM para voltímetro digital o DMM para multímetro digital) indica la cantidad que se está midiendo en una pantalla numérica en lugar de la aguja y la escala que se emplea en los medidores analógicos. La lectura numérica le da a los medidores electrónicos digitales las siguientes ventajas sobre los instrumentos analógicos en muchas aplicaciones:

• Las exactitudes de los voltímetros electrónicos digitales DVM son mucho mayores que las de los medidores analógicos. Por ejemplo, la mejor exactitud de los medidores analógicos en de aproximadamente 0.5% mientras que las exactitudes de los voltímetros digitales pueden ser de 0.005% o mejor. Aun los DVM y DMM más sencillos tiene exactitudes de al menos ± 0.1%.

• Para cada lectura hecha con el DVM se proporciona un número definido. Esto significa que dos observadores cualquiera siempre verán el mismo valor. Como resultado de ello, se eliminan errores humanos como el paralaje o equivocaciones en la lectura.

• La lectura numérica aumenta la velocidad de captación del resultado y hace menos tediosa la tarea de tomar las mediciones. Esto puede ser una consideración importante en situaciones donde se deben hacer un gran número de lecturas.

• La repetibilidad (repetición) de los voltímetros digitales DVM es mayor cuando se aumenta el número de dígitos desplegados. El voltímetro digital DVM también puede contener un control de rango automático y polaridad automáticos que los protejan contra sobrecargas o de polaridad invertida.

• La salida del voltímetro digital DVM se puede alimentar directamente a registradores (impresoras o perforadoras de cinta) donde se haga un registro permanente de las lecturas. Estos datos registrados están en forma adecuada para ser procesados mediante computadoras digitales. Con la llegada de los circuitos integrados (CI), se ha reducido el control de los voltímetros digitales hasta el punto en que algunos modelos sencillos tienen hoy precios competitivos con los medidores electrónicos analógicos convencionales.

Figura 1-4. Diagrama a bloque de un multímetro digital.
 

CONVERTIDORES ANALOGICOS A DIGITALES

Se usan un gran número de métodos para convertir señales analógicas a la forma digital. Los que más se emplean en los circuitos convertidores A/D disponibles en el mercado son cinco:

1.- Rampa de escalera
2.- Aproximaciones sucesivas
3.- Doble rampa
4.- Voltaje a frecuencia
5.- Paralelo o instantáneo

 


Figura 1-5. Diagrama de bloques del convertidor analógico a digital en rampa de escalera

2.- Convertidores A/D de aproximaciones sucesivas. Se utilizan ampliamente debido a su combinación de alta resolución y velocidad, ya que pueden efectuar conversiones entre 1 y 50 m s. Sin embargo, son más caros. La lógica de este convertidor prueba varios códigos de salida y los alimenta al convertidor D/A y a un registro de almacenamiento y compara el resultado con el voltaje de entrada a través del comparador. La operación es análoga a la acción de pesar una muestra en una balanza de laboratorio con pesos estándar en una secuencia binaria. El procedimiento correcto es comenzar con el mayor peso estándar y proseguir en orden hasta el menor. La muestra se coloca en un platillo y el peso mayor se coloca en el otro; si la balanza no se inclina, se deja el peso, y se coloca el siguiente con menor peso. Si la balanza se inclina, se quita el peso mayor y se agrega el siguiente menos pesado. Se usa el mismo procedimiento para el siguiente valor menos pesado y así se prosigue hasta el menor. Después de que se ha probado el enésimo peso y se ha tomado una decisión, se dan por terminadas las mediciones de peso. El total de las pesas que se encuentran en el platillo es la aproximación más cercana al peso de la muestra. En el convertidor de aproximaciones sucesivas, se implementa el procedimiento de medición de pesos mediante un convertidor D/A, un comparador, un registro de almacenamiento y una lógica de control.

Figura 1-6. Diagrama de bloques de un convertidor analógico a digital de aproximaciones sucesivas.
 
 

 


Figura 1-7. Convertidor analógico a digital de doble rampa.
 
 

Figura 1-8. Diagrama de bloques de un multímetro digital tipo integrador voltaje a frecuencia.
 

5.- Convertidor en paralelo (o instantáneo). Estos convertidores llevan a cabo las más rápidas conversiones A/D. En esta técnica, el voltaje de entrada se alimenta simultáneamente a una entrada de cada uno de los P comparadores. La otra entrada de cada comparador es un voltaje de referencia. El comparador recibe un valor distinto del voltaje de referencia, comenzando en V_Rmax. Empleando el principio del divisor de voltaje y valores iguales de R, el valor del voltaje de referencia V_Rp en cada comparador estará dado por
 
 

Siendo
 

p = número del comparador (de 1 a P)
P = número total de comparadores
Q = número total de resistencias = P + 1

Figura 1-9. Convertidor analógico a digital paralelo de tres bits.
 
 
 
 
 

OSCILOSCOPIO

El osciloscopio de rayos catódicos debido a su especial mecanismo de despliegue puede desplegar seguir señales con frecuencias mayores de 1 GHz. De hecho, frecuencias aún mayores se pueden desplegar empleando el osciloscopio de muestreo.

El dispositivo de despliegue que permite observar variaciones de tan alta velocidad es el tubo de rayos catódicos. El tubo genera un haz delgado de electrones (el rayo catódico) dentro de sí mismo. Este rayo está dirigido de tal modo que choca con una pantalla fluorescente que cubre un extremo del tubo. Siempre que el rayo choca con la pantalla, se emite un punto de luz visible. Cuando el haz se mueve a través de la pantalla, "pinta" un trazo de su trayectoria. Los campos que provocan las deflexiones del haz de electrones se crean a lo largo de su trayecto mediante placas deflectoras. La pantalla del osciloscopio depende de los voltajes aplicados a las placas del tubo. También se sigue de esta conclusión que el osciloscopio en realidad es un vóltmetro, esto es, un vóltmetro con mecanismo de despliegue de velocidad super alta.

El voltaje no es la única cantidad que se puede medir. Interpretando correctamente las características del despliegue, se puede usar el osciloscopio para indicar corriente, tiempo, frecuencia y diferencia de fase.

En efecto, el osciloscopio probablemente sea el instrumento más versátil y útil inventado para trabajos de mediciones eléctricas.

Subsistemas del osciloscopio

El osciloscopio es un instrumento complejo capaz de medir o desplegar una amplia variedad de señales. Los subsistemas que constituyen por lo general un osciloscopio son:

1. Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos).
2. Subsistema de deflexión vertical.
3. Subsistema de deflexión horizontal.
4. Fuente de poder.
5. Sonda (puntas de prueba).
6. Circuitos de calibración.
 

Dentro del tubo, se crea un haz de electrones mediante un cañón de electrones. El haz de electrones se enfoca y, se dirige para que choque con la pantalla fluorescente, creando un punto de luz en el lugar del impacto con la pantalla. El haz se deflexiona en forma vertical en proporción a la amplitud del voltaje aplicado a las placas de deflexión vertical del tubo. La señal amplificada de entrada también está monitoreada por el subsistema de deflexión horizontal. El subsistema tiene la tarea de barrer horizontalmente el haz de electrones a través de la pantalla a una velocidad uniforme.
 

Figura 1-10. Diagrama a bloques de los subsistemas del osciloscopio

Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos)

El tubo en sí es un recipiente sellado de vidrio con un cañón de electrones y un sistema de deflexión montado dentro del tubo en un extremo y una pantalla fluorescente en el otro. Se evacúa el aire del tubo, que queda al alto vacío. Se necesita este alto vacío.

La función del cañón es producir el haz de electrones. Algunos de esos electrones pasan a través de un pequeño agujero en la rejilla de control de intensidad que rodea al cátodo. La intensidad del punto de luz que se produce donde el haz de electrones choca con la pantalla fluorescente depende del número de electrones en dicho haz.

Después de dejar el cañón de electrones, el haz enfocado y acelerado pasa entre dos placas deflectoras. Si no hay diferencia de voltaje entre las placas, el haz continúa directamente y llega a la pantalla fluorescente en su centro. Si hay una diferencia de potencial entre uno o ambos conjuntos de placas, el haz se desviará de su trayectoria recta.

Se colocan los dos conjuntos de placas deflectoras perpendiculares entre sí de modo que puedan controlar en forma independiente el haz tanto en la dirección horizontal como en la vertical.

La pantalla fluorescente del tubo de rayos catódicos está cubierta de fósforo, en el punto donde el haz de electrones llega a la pantalla, este material emite un punto de luz visible.

El tiempo que tarda la intensidad del punto para disminuir al 10 por ciento su brillantez original se llama la persistencia del fósforo.

Cuando un haz de electrones llega a la pantalla se genera tanto calor como luz. El efecto, 90 por ciento de la energía del haz se convierte en calor y sólo 10 por ciento en luz visible.

La retícula es el conjunto de líneas horizontales y verticales inscritas en forma permanente en la cara del tubo de rayos catódicos. Esas líneas permiten que se mida visualmente la onda mostrada contra un conjunto de escalas verticales y horizontales.
 
 

Figura 1-11. Tubo de rayos catódicos del osciloscopio
 

Figura 1-12. Deflexión del haz de electrones en el tubo de rayos catódicos; a) ambas placas deflectoras a voltaje cero; b) voltaje positivo en la placa deflectora derecha; c) voltaje positivo en la placa deflectora superior; d)-g) voltajes positivos iguales en placas deflectoras adyacentes.
 

Subsistema de deflexión vertical.

Se deben aplicar aproximadamente 10 a 20 V a las placas deflectoras del tubo de rayos catódicos para desviar al haz de electrones 1 cm. El osciloscopio debe tener un subsistema que tenga la capacidad de amplificar o de atenuar las señales de entrada para que se produzca una figura correcta cuando se apliquen las señales de interés a las placas deflectoras del tubo de rayos catódicos.

El sistema de deflexión vertical esta compuesto de los siguientes elementos:

1. Selector de acoplamiento de entrada
2. Atenuador de entrada
3. Preamplificador
4. Amplificador vertical principal
5. Línea de retardo.
 

El subsistema de deflexión vertical comienza con un repaso de la operación combinada del atenuador, el preamplificador y el amplificador vertical principal. Todos ellos constituyen la parte amplificadora del subsistema.

La función del atenuador es reducir la amplitud de las señales de entrada en un factor seleccionado F antes de que se apliquen esas señales a la sección de preamplificador y amplificador.
 

Figura 1-13. Subsistema de deflexión vertical.
 

Subsistema de deflexión de horizontal

Consiste del amplificador de deflexión horizontal y los circuitos de base de tiempo. Se emplea el amplificador de horizontal de dos maneras. La primera es en la amplificación directa de señales externas de entrada (que se alimenta a continuación a las placas de deflexión horizontal del tubo de rayos catódicos). Como lo que muestra el osciloscopio al operar en este modo consiste en la variación de alguna señal (mostrada en la dirección Y o vertical) contra de otra (que se muestra a lo largo del eje X u horizontal), se dice que el osciloscopio está trabajando en el modo X-Y de despliegue.

El segundo uso del amplificador horizontal se utiliza para amplificar las ondas de barrido generadas por los circuitos de base de tiempo.
 

Figura 1-14. Modo X-Y de operación
 

Puntas de prueba del osciloscopio

Efectúan la importante tarea de detectar las señales en su fuente y transferirlas hasta las entradas del osciloscopio. La cabeza de la punta contiene los circuitos sensores de la señal. Casi siempre se emplea un cable coaxial para transmitir la señal desde la cabeza de la punta hasta los circuitos de terminación (o directamente a las terminales de entrada del osciloscopio, si no hay circuito de terminación). Si se emplea un circuito de terminación, su función es terminar el cable coaxial en la impedancia característica del cable y presenta así la impedancia del cable a las entradas del osciloscopio.
 

Figura 1-15. Diagrama general de bloques de una sonda (puntas de prueba) de un osciloscopio
 

Circuitos de calibración

 Para asegurar que el amplificador vertical de un osciloscopio esté amplificando con exactitud las magnitudes de las señales medidas, se deben efectuar pruebas de calibración periódicamente. Esto es, se debe alimentar una señal que tenga una amplitud conocida con exactitud a las terminales de entrada del osciloscopio y observar la señal en la pantalla. Si la pantalla da un valor medido distinto del valor conocido de referencia, indica que el amplificador vertical no se encuentra calibrado en forma correcta. Se deben hacer entonces los ajustes correctos del instrumento para restaurar la exactitud adecuada en la pantalla. De igual manera, se deben efectuar periódicamente pruebas de calibración para asegurar la exactitud de la base de tiempo.
 

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