Cuestionario_1_parte_02-2005-vesp[1] Instrumentacion Y Medidas

MEDIDAS Y TECNOLOGIAS ELECTRICAS CUESTIONARIO MATERIA PRIMERA PARTE 1) ¿Cómo medimos?. Medimos comparando una magnitud con respecto a un patrón establecido. ¿Para qué medimos?. Medimos para establecer una diferencia que se desea conocer mediante la comparación de una magnitud conocida con la desconocida. 2) ¿Qué es un patrón de medida? Un patrón de medidas es el hecho aislado y conocido que sirve como fundamento para crear una unidad de medida. Muchas unidades tienen patrones, pero en el sistema métrico sólo las unidades básicas tienen patrones de medidas. Los patrones nunca varían su valor. Aunque han ido evolucionando, porque los anteriores establecidos fueron variables y, se establecieron otros diferentes considerados invariables. Es la unidad utilizada como referencia universal que ha sido logrado mediante acuerdos Internacionales. 3) Explique los conceptos generales de: exactitud, precisión, sensibilidad y resolución. EXACTITUD: La exactitud de una medición hace referencia a su cercanía al valor que pretende medir. PRECISION: La precisión está asociada al número de cifras decimales utilizadas para expresar lo medido. Un instrumento inexacto nos entrega resultados sesgados, "desplazados"; uno impreciso, resultados "ambiguos", "difusos". Así, por ejemplo, una pesa es exacta si nos entrega el peso correcto, sin agregarle ni quitarle. Asimismo, es más precisa en la medida que el aparato usado es capaz de detectar diferencias de peso más pequeñas. La exactitud y precisión exigibles a una medición, dependerán de los objetivos del estudio que la utiliza.

SENSIBILIDAD: Es la respuesta que se obtiene ante una señal de entrada o excitación. RESOLUCION: Se refiere a la calidad de la medición entregada. Es el cambio mas pequeño en la magnitud medida o suministrada al cual se le puede asignar un valor numérico sin interpolación.

Página 1 de 17

4) ¿Cuál es la diferencia entre discrepancia y error?

5) ¿Cómo se define la sensibilidad de corriente y tensión? 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. La sensibilidad de corriente es la relación entre una respuesta obtenida, producto de un cierto valor de corriente que es capas de estimular al instrumento provocando una indicación de medida y una señal de entrada, que debe darse en función a una escala. 6) Explique como funciona un galvanómetro de d´Arsonval. El principio de funcionamiento parte de una bobina situada en un campo magnético constante (imán permanente). Cuando una corriente pasa a través de la bobina, esta girará un ángulo alrededor de un eje proporcional a la corriente. En la Figura 1.2 puede apreciarse un sistema móvil de este tipo. Utiliza una bobina que termina en un par de resortes antagónicos en espiral. (Figura 1.3 A), a través de los cuales circula la corriente a medir. La bobina, o cuadro móvil, está dentro del campo magnético casi homogéneo que produce un imán permanente y se desplaza con un movimiento giratorio (Figura 1.3 B) . El ángulo de rotación es proporcional a la corriente que circula por la bobina. Una aguja, vinculada con el cuadro móvil, indica la posición de éste sobre una escala calibrada en términos de corriente o voltaje. Este mecanismo indicador sólo responde a la corriente continua y presenta una calibración casi lineal, como se aprecia en la Figura 1.1 A, El "shunt" magnético, que altera la intensidad del campo, se emplea para la calibración.

Fig. 1.2. Sistema indicador D'Arsonval. Página 2 de 17

Fig. 1 .3. Princípios del mecanismo D'Arsonval: (A) bobina con resorte a espiral y (B) movimiento rotativo 7) Cuáles son las ventajas de usar el principio del movimiento de d´Arsonval para construir instrumentos eléctricos. • • • • • •

Bajo consumo de potencia. Reducido tamaño Escala lineal. Bajo costo. Relativamente inmunes a los campos magnéticos externos. Utilizados para la construcción de una función o varias (amperímetro, volmetro, ohmmetro, multimetro).

8) ¿Cuál es la diferencia entre un galvanómetro de espejo y uno de aguja? Su principal diferencia radica en su sensibilidad para la cual el galvanómetro de espejo es más sensible, por lo que se utilizan en laboratorios y el de aguja para medidas con menor sensibilidad. 9) Para qué se usan los shunt en los instrumentos eléctricos. Se utiliza para proteger al instrumento en medidas elevadas, por lo que se conectan en paralelo reduciendo en una relación conocida la corriente que la atraviesa. 10)Enumere y describa los distintos tipos de shunt que conozca •

Shunt de corriente: Este tipo esta limitado para CC. En donde su desventaja es el consumo de energía y la corriente de medida debe estar al mismo potencial con respecto a tierra que la línea a medir lo cual limita su utilización para baja tensión.

•

Shunt de cuatro terminales: Posee dos terminales de corriente y dos de potencial, su aplicación se encuentra en la extensión de escalas de un amperímetro, en la medida de corriente con un potenciómetro, en el registro de formas de onda de corriente y en la medida de potencias a baja tensión.

•

Shunt Universal: dispositivo que se puede incorporar a un galvanómetro para el control de la sensibilidad y como detector de cero.

11)Para que se usan las resistencias adicionales en los instrumentos eléctricos. El uso de las resistencias adicionales tiene por objetivo dar la posibilidad de distintas escalas de medición. 12)A partir de un galvanómetro de d´Arsonval, ¿Cómo se construyen voltmetros y ampermetros de corriente continua y corriente alterna?. El instrumento más utilizado para medir la diferencia de potencial (el voltaje) es un galvanómetro que cuenta con una gran resistencia unida a la bobina. Cuando se conecta Página 3 de 17

un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un circuito eléctrico con diferentes potenciales pasa una cantidad reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del medidor. La corriente es proporcional al voltaje, que puede medirse si el galvanómetro se calibra para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en serie un galvanómetro sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El instrumento más preciso para medir el voltaje, la resistencia o la corriente continua es el potenciómetro, que indica una fuerza electromotriz no valorada al compararla con un valor conocido. Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie. Cuando se añade al galvanómetro una escala graduada y una calibración adecuada, se obtiene un amperímetro, instrumento que lee la corriente eléctrica en amperios. D'Arsonval es el responsable de la invención del amperímetro de corriente continua. Sólo puede pasar una cantidad pequeña de corriente por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro. Si hay que medir corrientes mayores, se acopla una derivación de baja resistencia a los terminales del medidor. La mayoría de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la corriente total. Al utilizar esta proporcionalidad el galvanómetro se emplea para medir corrientes de varios cientos de amperios. Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la magnitud de la corriente que pueden medir. Los galvanómetros convencionales no pueden utilizarse para medir corrientes alternas, porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos direcciones. Sin embargo, una variante del galvanómetro, llamado electrodinamómetro, puede utilizarse para medir corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor contiene una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar del imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la móvil se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la corriente. Los medidores de este tipo sirven también para medir corrientes continuas. 13)¿Qué valores estandarizados se distinguen en una onda de corriente periódica en el tiempo? En una onda de corriente periódica en el tiempo se identifican valores RMS, Peack, Peack to Peack. 14)¿Qué valor de una onda periódica en el tiempo mide un galvanómetro de d´Arsonval. Un galvanómetro d´Arsonval mide el valor efectivo RMS de una onda periódica en el tiempo.

Página 4 de 17

15)Enumere y explique el modo de operación de los diferentes tipos de rectificadores utilizados en instrumentos eléctricos. • • •

Rectificador de media onda los que no se utilizan en instrumentos de medida. Puente rectificador monofásico completo (04 diodos) Puente rectificador trifásico completo (06 diodos

16)Explique los conceptos de: Factor de Forma y Factor de Escala utilizados en instrumentos. •

Factor de forma : Se define como la relación entre el valor RMS y el valor medio de una medición.

•

Factor de escala : Tiene que ver con el tipo de onda. La base es la onda sinusoidal pura rectificada en onda completa.

17)Describa las características de un instrumento de hierro móvil. Es el menos costoso de todos los indicadores de lectura directa. Su funcionamiento depende de la atracción o repulsión mutua entre dos segmentos de hierro dulce expuestos al campo magnético -de un solenoide recorrido por la corriente a medir (Figura 1. 6). El mecanismo puede diseñarse para medir CC o CA y sus características de calibración dependen de la forma y ubicación de los segmentos de hierro. Es un indicador particularmente apropiado para medir valor efectivo.

Fig. 1.7 - Sistema de hierro móvil.

Página 5 de 17

El mecanismo que se presenta en la Figura 1 -7 es, probablemente, el ejemplo más común de indicadores de hierro móvil. Una paleta fija (Figura 1.8) repele a otra móvil en una medida que depende de la corriente que circula por la bobina. En instrumentos económicos, el resorte espiral que actúa como carga de retroceso de la aguja indicadora se reemplaza a veces por un imán permanente que actúa como fuerza opositora a la de deflexión. Puesto que estos instrumentos son muy sensibles a las deformaciones del campo magnético, producidas por masas

Fig. 1.8. Relación entre las lengüetas estacionaria y móvil. cercanas de hierro o acero, deben estar bien blindados.

18)Cuáles son las características del movimiento electrodinamométrico. El mecanismo dinamométrico representado en la Figura 1.4 es muy semejante al sistema d'Arsonval, pero en vez de utilizar un imán permanente emplea una segunda bobina a través de la cual circula la misma corriente que pasa por la bobina móvil (Figura 1.5). Este tipo de mecanismo indicador puede utilizarse tanto para mediciones de CA como de CC, pero su escala tiene una calibración que sigue una ley cuadrática, como se representa en la Figura 1.1B

Fig. 1.4. Sistema dinamométrico Fig. 1.5. Principios del mecanismo dinamométrico: (A) conjunto de las dos bobinas y (B) movimiento de rotación.

Página 6 de 17

19)¿A qué se deben los errores de conexión de los wattmetros? y ¿Cómo se pueden corregir?. El error de conexión que se produce en los wattmetros es debido a su naturaleza constructiva ya que al conectar la bobina de potencial no importando el lugar se produce un margen de error ya sea de corriente o potencial. La solución pasa por tener una bobina de potencial pequeña disminuyendo el efecto negativo en la conexión. Los wattmetros compensados utilizan una bobina de corriente opuesta, a la bobina original, de pequeño valor produciéndose una compensación entre las corrientes de ambas bobina. 20)Qué instrumentos se pueden construir a partir del movimiento electrodinamétrico. El instrumento mide el valor RMS en C.C. y C.A., por lo que el instrumento es utilizado como elemento básico para la construcción de Wattmetros, frecuencimetros, Cosenofímetros, voltímetros, amperímetros. 21)Explique cómo funcionan los ohmetros serie y paralelo y cómo influye la variación de sus componentes en las medidas. El ohmetro tipo serie consta de un galvanómetro o movimiento D`Arsonval 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. 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 sus terminales A y B están en cortocircuito. El ohmetro tipo derivación consiste de una batería en serie con una resistencia de ajuste R1 y un galvanómetro D' Arsonval. 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 Rx = 0 ( A y B están abiertas), las corrientes circulará únicamente a través del medidor; y con la apropiada selección del valor de R 1, 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. 22) Explique como se puede eliminar la influencia de la resistencia propia de un amperímetro en una medida de corriente.

Página 7 de 17

La influencia de la resistencia propia de un amperímetro, puede ser eliminada a través del método de contrastación que consiste en conectar una resistencia en serie, de valor conocido, con el amperímetro y por diferencia podemos obtener el valor de la resistencia propia del amperímetro. 23)Ídem a lo anterior para la influencia de la carga de un voltímetro en una medida de tensión. Para la influencia de la resistencia propia del voltímetro en su medida de tensión, también se utiliza el método de contrastacion pero con una resistencia conectada en paralelo y midiendo la corriente que pasa por ella. 24)Explique como opera un voltmetro diferencial en una medida de tensión. El funcionamiento del voltímetro diferencial consiste en la comparación de una tensión constante con una variable, por lo que a través de un elemento censor identifica la diferencia de tensión. 25)Cuales son las principales partes constitutivas de un ampermetro diferencial • • •

Fuente de corriente constante Elemento sensor Detector diferencial

26)¿Cómo Ud. puede apreciar en forma práctica el comportamiento de la resistencia interna de una batería de automóvil? El comportamiento de la resistencia interna de una batería de automóvil, puede ser apreciada a través de mediciones efectuadas en vacío ya que la batería posee tres niveles de tensión: flotación, con carga y con carga sin alternador. 27) Indique que instrumento usaría para medir resistencias: a) menores que 1 Ω, b) entre

1 Ω y 1 MΩ, c) mayores que 1 MΩ y explique en cada caso la razón por la cual lo usaría.¿Qué aplicaciones prácticas se le puede dar al método del cero o de deflexión nula?. • • •

Para resistencias menores a 1ohms se utiliza el puente de Wheastone esto por su sensibilidad. Para resistencia entre 1ohms y 1M ohms son medidas de rango medio por lo que se utiliza ohmetro serie o paralelo. Para resistencias mayores a 1M ohms son medidas de resistencias altas por lo que se utiliza el megometro ya que tiene una operación de medida indirecta a través de la tensión y corrientes inducidas.

28)Mencione los diferentes tipos de puentes que se utilizan para medidas eléctricas. • • • •

Puente Puente Puente Puente

Weastone (cc) no equilibrado (cc) clásico (ca) con trafo de relación simple Página 8 de 17

• • • • •

Puente Puente Puente Puente Puente

con trafo de relación doble de inductancia. de inductancia mutua. de capacitancia. equilibrado

29)Defina el concepto de error

30)Haga una clasificación de los distintos tipos de errores que se pueden encontrar en las medidas eléctricas y describa en forma breve cada una de ellas. -

Errores sistemáticos : es aquel que puede ser corregido y se divide en: •

Grande: puede ser producido por un uso deficiente del instrumento o escala, por lo que trae consigo una medida inadecuada. Ejemplo medir 1 (V), con instrumento de 100 (kV).

•

Instrumental: son aquellos que vienen con el instrumento y están identificados con un cierto porcentaje. Se dan debido a la precicsón, exactitud, calibración, etc.

•

Por efectos ambientales: el medio ambiente puede afectar sobre la variable a medir, sobre el propio instrumento, y sobre el operador.

•

Por efecto de observación: este es causado por quien esta midiendo.

Errores residuales: son aquellos que persisten aun siendo corregidos todos los errores sistemáticos 31)Explique el método de medida del voltmetro - ampermetro y como se puede determinar el error de una medida. Medida del voltímetro:

Determinación del error en voltaje: Página 9 de 17

Medida del amperímetro:

Determinación del error en corriente:

Página 10 de 17

32)Explique en forma genérica como se efectúa el proceso de calibración de un instrumento.

Página 11 de 17

El proceso de calibración consiste en compara el instrumento con uno de mejor precisión llevando la medida al valor del instrumento patrón, lo que es realizado en condiciones conocidas de temperatura, presión y humedad. 33)Señale los objetivos de usar transformadores de medidas Objetivos en el uso de transformadores de medida: • Proveer aislamiento eléctrico. • Subir o bajar niveles de tensión o corriente. • Estandarización de señales. Adaptación de impedancias 34)Identifique las principales deferencias que existen entre los transformadores de potencia y los de medida.

35)Enumere y describa brevemente las diferentes formas de determinar la exactitud de los transformadores de medida de potencial y de corriente. • • • • •

Por curvas características. Certificado de Ensayo: se solicita al fabricante. Impedancia del transformador. Por clasificación normalizada. Formas constructivas

36)¿Cómo influye la carga en un transformador de corriente y porque? Supongamos tres transformadores de corriente, la carga esta dada por los instrumentos conectados y el cable de conexión. Mientras las corrientes en las tres fases son iguales, no hay corriente de neutro, la carga esta dada por la longitud del cable y la impedancia de los instrumentos. Si en cambio las corrientes son desequilibradas, en el caso extremo de tener corriente en una sola fase entonces habrá que considerar dos veces la longitud del cable (fase y neutro), y si hubiera instrumentos en conexión residual habrá que considerar el instrumento de fase y el de neutro. Estas observaciones tienen por objeto mostrar que la carga depende de las condiciones en que la medición se esta realizando, y en consecuencia en particular la saturación se puede presentar no siempre con el mismo valor de corriente. Página 12 de 17

El circuito secundario de los transformadores debe estar puesto a tierra, esta es una condición de seguridad, y es conveniente que esta puesta a tierra se haga en un transformador o en un punto muy próximo a ellos. 37)Explique cómo se realiza una completa especificación de un instrumento. En la especificación de un instrumento se debe establecer una relación técnica entre el demandante y el proveedor, por lo que debe ser lo mas amplia, detallada y exacta : -

Tipo de escala. Tipo de medida. Ambiente adecuado para el equipo Exactitud Estabilidad Confiabilidad.

38)Describa brevemente los métodos de conversión Análogo Digital (A/D) utilizados en instrumentos de medidas eléctricas. 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: 1.2.3.4.5.-

Rampa de escalera Aproximaciones sucesivas Doble rampa Voltaje a frecuencia Paralelo o instantáneo

1.- Convertidores A/D de rampa de escalera. Cuando se aplica un comando de inicio o arranque la lógica de control, el voltaje analógico de entrada se compara con una salida de voltaje de un convertidor D/A. Esta salida comienza en cero y se incrementa en un bit menos significativo con cada pulso del reloj. Siempre que el voltaje de entrada sea mayor que el voltaje de salida del convertidor D/A, el comparador producirá una señal de salida que continúa permitiendo que los pulsos del reloj se alimenten al contador. Sin embargo, cuando el voltaje de salida de ese convertidor es mayor que el voltaje de entrada, la salida del comparador cambia y esta acción evita que los pulsos del reloj lleguen al contador. El estado del contador en ese instante representa el valor de voltaje de entrada en forma digital.

Página 13 de 17

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 ms. 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.

Figura 1-6. Diagrama de bloques de un convertidor analógico a digital de aproximaciones sucesivas. 3.- Convertidores A/D de doble rampa. Se emplean ampliamente en aplicaciones en donde la mayor importancia estriba en la inmunidad al ruido, gran exactitud y economía. Los convertidores de doble rampa pueden suprimir la mayor parte del ruido de la señal de entrada debido a que emplean un integrador para efectuar la conversión. Sin embargo las ventajas de los convertidores de doble rampa los hacen muy adecuados para aplicaciones en las que no sean necesarios tiempos breves de conversión. Se emplean mucho, en especial en aplicaciones de instrumentos de precisión tales como voltímetros digitales.

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

Página 14 de 17

4.- Convertidor de voltaje a frecuencia. En este tipo de convertidores, el voltaje de CD de entrada se convierte en un conjunto de pulsos cuya velocidad de repetición (o frecuencia) es proporcional a la magnitud del voltaje de alimentación. Los pulsos se cuentan mediante un contador electrónico. Por lo tanto, la cuenta es proporcional a la magnitud del voltaje de entrada. La parte primordial de esos convertidores es el circuito que transforma el voltaje de CD de entrada a un conjunto de pulsos. Se emplea un integrador para llevar a cabo esta tarea.

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.

Figura 1-9. Convertidor analógico a digital paralelo de tres bits. 39)¿De qué factores dependen los errores de las medidas en los instrumentos digitales? • • •

Tiempo de medida Influencia de ruidos Temperatura. Envejecimiento también conduce a tiempos de conversión muy largos. Página 15 de 17

40)Describa brevemente el principio de funcionamiento de los contadores digitales síncronos y asíncronos. •

Contador digital sincrónico: cuenta en base a pulsos de periodo constante y por lo tanto esta formado por una fuente sincrónica (reloj)

•

Contador asincrónico: cuenta en base a impulsos gatillados por condiciones independientes del tiempo.(sensor de movimiento)

41)Identifique los diferentes módulos funcionales de un contador digital. Módulos funcionales de un instrumento digital: Unidad contador y visualizador.(sincrónico y asincrónico) Oscilador interno.(cristal de cuarzo, transistor, cto RLC Divisor por decada.(formado por flip-flop) Puerta principal Cicuiteria de entrada: formada por rectificador, mallas resistivas y/o inductivas, filtros. Pulsadores o lógica de selección: Memoria Software, Procesador, puerta digital de entrada y salida info.

• • • • • • • •

42)¿Cuáles son los principales usos que se les puede dar a los contadores digitales?. • • • • •

Contar impulsos y totalizar Medir intervalos de tiempo Medir frecuencia. Medir periodo. Medir periodo promedio.

43)Enumere las diferentes funciones que se le puede dar a un multímetro digital? • • • •

Medición de voltaje Medición de corriente Medición de resistencia Algunos pueden medir: Frecuencia, temperatura, capacitancia

44)¿Cómo se especifica la exactitud de un multímetro digital, para sus principales medidas? La • • • •

exactitud de un multimetro digital esta dada por: Sensibilidad Precisión (tiene que ver con escala Temperatura Estabilidad del reloj interno.

Página 16 de 17

45)Dibuje y explique el funcionamiento de los métodos de medida de resistencia de un instrumento con dos, cuatro y cinco hilos.

46)¿Cómo podría describir un instrumento de los denominados inteligentes?. • • • • •

Instrumento inteligente posee: Capacidad de almacenar información. Capacidad de procesamiento. Capacidad de interactuar con otro mediante software. Capacidad De graficar e imprimir. Capacidad De tratar señales.

Bibliografía Gregory, frank

Página 17 de 17