INTERPRETACIÓN DE ESPECIFICACIONES

INTERPRETACIÓN DE ESPECIFICACIONES

ESPECIFICACIONES

Es el análisis que se le puede hacer a todos los datos que da el fabricante. Son producidas por el mismo fabricante quien es el encargado de dar todas las especificaciones de las escalas de medición de los diferentes instrumentos de medida.

Su función es dar a conocer los rangos dentro de los cuales puedo trabajar con cada instrumento que utilice.

La presentación de la información se hace por medio de un conjunto de dígitos. En el caso de los multimetros. Estos dígitos se forman con 7 barras o segmentos formando un ocho. De acuerdo con las segmentos excitados eléctricamente, será el número representado.  Los segmentos pueden ser de Led o Cristal Líquido. Los de Led son luminosos no dependiendo de la luminosidad exterior para poder observarlos. Los de Cristal Líquidos dependen de la luz exterior para ser observados.

Los instrumentos pueden contener 3, 4 o 5 dígitos. Mientras mayor cantidad de dígitos tenga el instrumento, mayor será la resolución del mismo, o sea, se podrá leer con mayor exactitud del valor desconocido.

Cada dígito será formado por la combinación de los segmentos de ese dígito. Cada segmento es controlado por una línea eléctrica. Para tener mayor resolución de lectura, se necesitan varios dígitos, pero cada dígito necesita 7 líneas. Esto complica la decodificación y la implementación eléctrica del contador por la cantidad de cableados necesarios.

El número uno (1) es formado por los dos segmentos verticales derechos. Si excitamos el primer dígito de la izquierda con una sola línea, conectada a estos dos segmentos, tendremos un 1 cuando la línea este excitada y un cero cuando esta línea no esté excitada. Esto permitiría duplicar la resolución sin complicar demasiado el cableado. Este dígito a la izquierda que puede tomar valor 1 ó 0 se lo conoce como medio dígito.

Normalmente se tienen un lectura de 999 pero con el agregado de un 1 delante del 999, se obtiene el doble de escala al poder leer 1999.

Dicho de otro modo, con un instrumento de dígitos normales, para un instrumento de 3 dígitos, se podría leer 999 milivolts en la escala de milivolts, pero si se agrega el medio dígito delante del dígito de la izquierda, se puede leer hasta 1999 milivolts. Normalmente cuando el valor de entrada supera las 1999 cuentas, los dígitos completos no están iluminados y sólo el medio dígito presenta el valor 1, indicando sobre-escala. (lectura mayor a la que puede indicar el instrumento).

Cuando la lectura es menor a 1000 cuentas, el medio dígito no se enciende.

Esto hace muy ventajoso el uso común de el llamado medio dígito (el 1 más significativo) que duplica la resolución del instrumento.

En el presentación digital también se manifiesta un error por indeterminación de + 1 dígito en la presentación. O sea, después del último dígito de la derecha, los dígitos siguientes de menor valor no son mostrados. Estos dígitos no mostrados pueden ser mayores a 5 ó menores a 5, El instrumento, redondea el ultimo dígito de la derecha, con lo cual se pierde la información sobre esos dígitos no presentados. Por lo tanto, el ultimo dígito puede ser de un valor mayor o menor en 1.

Osea, si nos da una lectura de 1456 mV, el valor puede ser de 1455 mV a 1457 mV. Uno por encima y uno por debajo del valor presentado

Precisión de la medición está dada por

+- 1 cuenta +- Error de la base de tiempo +- error del conversor de entrada correspondiente.

Especificaciones de los Multímetros

La especificación de un instrumento de medición, es una detallada descripción de las características que identifican al instrumento.

 La utilidad y simplicidad de las especificaciones debe tenerse en cuenta al diseñar la presentación de estas especificaciones. Una especificación que se aplica a todos los rangos, a todos los niveles y a un amplio rango de condiciones ambientales es fácilmente entendida.

Los componentes que integran la especificación de un instrumento de medición, incluye todos los parámetros que identifican al instrumento, y a las condiciones de respuesta del mismo ante diversas condiciones ambientales y de lectura. Entre ellas tenemos los Rangos, la Exactitud, la Precisión, la Resolución, linealidad, los límites de temperatura de funcionamiento y almacenamiento, las características de entrada, los valores máximos y mínimo de lectura.

RANGO: Los rangos son las distintas escalas que el instrumento tiene a fin de dar una lectura adecuada dentro de la resolución establecida en la especificación.

Fondo (FULL) de escala: Es el máximo valor de lectura en la escala en uso.

Factor de escala: Este está dado por la relación entre el rango elegido y el número de divisiones de dicho rango. Este es más aplicable a instrumentos de medición analógica.

PRECISIÓN: Es el mayor error permitido, expresado como un porcentaje o un valor absoluto. O sea, es la exactitud de la medición. En multímetros digitales, la precisión se expresa por dos términos. Uno de ellos es la cantidad de dígitos fijos de error y el otro término puede expresarse de cuatro formas:

 a- % de la lectura especificada:     Error % =

  

En los instrumentos digitales, por ejemplo, se expresa como +- (2,0 % de la lectura +- 2 dígitos), indicando que el error del valor leído esta dentro del 1,3 % y además 2 dígitos de error fijo. Por ejemplo en ese caso, si la lectura es 1200 mV, el error es de 24 mV (2,0 % de

1200) + -2 mV (2 dígitos), siendo la lectura verdadera, en el peor de los casos:

b- Error expresado en dígitos: = + x dígitos

Por ejemplo, si el error es de + 2 dígitos en la escala de milivoltios, y tenemos una lectura de 1.499 volts, esto significa que el error es de + 2 milivoltios y la lectura real puede ser 1501 a 1597 mvoltios. Este tipo de indicación de error es fijo, o sea independientemente del valor leído.

El error es siempre de igual cantidad de dígitos por arriba o por abajo del valor indicado.

ESTABILIDAD: Es el período de tiempo en el cual se garantiza que el instrumento mantenga las lecturas dentro de la especificaciones indicadas. En consecuencia, periódicamente debe hacerse una constatación del instrumento con otro de mayor estabilidad y precisión a fin de ajustarlo mediante los controles adecuados a los valores indicados por la especificación.

RESOLUCION: Es el menor valor de lectura que puede identificar el instrumento en la escala en uso. O sea, es el menor cambio de la magnitud que puede ser indicado por el instrumento.

Por ejemplo, en un multímetro de 5 dígitos puede mostrar 200000 cuentas, y en consecuencia la resolución será igual a 1 dígito. Por ejemplo, 1 Microvoltios en la escala de 200 V.

IMPEDANCIA DE ENTRADA: Al intentar medir una magnitud, el instrumento necesita afectar el valor de esa magnitud medida a fin de cuantificarla. La impedancia de entrada es una medida de la capacidad del instrumento de medir esa magnitud, afectándola el menor grado posible. En consecuencia, a mayor impedancia de entrada, mejor será la calidad del instrumento de medida.

En los instrumentos analógicos esta es variable de acuerdo al rango utilizado y se expresa en OHM/volts Resp (Resistencia específica). La resistencia de entrada es

Rv = Resp (Kohm/V) x Rango (v)

En los instrumentos digitales, la resistencia de entrada es un valor fijo que depende del modo de lectura (Voltios o Amperes) independiente de la escala usada. En modo de medición de Tensión la impedancia se mide en Megaohms.

En el caso de medición de corriente, se da también la máxima caída de tensión que se produce en los terminales de entrada del instrumento.

MÁXIMOS VALORES DE VOLTAJES Y CORRIENTE ADMISIBLE

Los multímetros son instrumentos electrónicos que pueden soportar un determinado valor máximo de voltaje y corriente aplicable a sus extremos. Estos valores son los máximos absolutos que pueden ser aplicados, aún cuando en la escala más grande el display pueda medir un valor mayor.

En Voltaje alterno, se especifican el máximo voltaje eficaz, y el máximo valor pico que corresponde este último con el máximo voltaje de continua admisible por el instrumento. En alterna se deben respetar los dos máximos ya que si el voltaje eficaz es menor al máximo admisible, pero el pico es mayor al admisible, esa señal no se puede medir porque puede dañar el instrumento, ya que se supera uno de los límites.

En el caso de corriente, el máximo se refiere al máximo eficaz de corriente que está limitado por protección por un fusible interno.

CONDICIONES AMBIENTALES DE USO: Son las condiciones ambientales (temperatura y humedad, polvo) y posición en las cuales pueden ser usados los instrumentos, y en las cuales se cumplen las especificaciones indicadas por los manuales. Dependiendo del instrumento, se indican las temperaturas máximas y mínimas dentro de las cuales pueden ser usados, y las temperaturas máximas y mínimas dentro de las cuales pueden ser guardados. Normalmente el rango de temperaturas de almacenamiento es mayor al de operación.

En cuanto a la humedad, se aplica los mismos conceptos que para la temperatura, siendo expresado los límites en % de humedad ambiente.

En los instrumentos digitales normalmente no se aplica este concepto, debido a que la cuantificación de la información medida se hace por medios electrónicos, no haciéndose uso de elementos mecánicos, por lo cual la posición no afecta a la lectura.

En los instrumentos de bobina móvil, ya que la indicación de la lectura se hace a través de aguja acoplada a una bobina móvil que se desplaza radialmente en un campo magnético generado por un cilindro magnético, se debe indicar la posición en que se debe colocar el instrumento. Normalmente se indica con un símbolo, para indicar que se debe usar en posición horizontal con el visor hacia arriba. Esto es debido a que en esta posición, el peso de la aguja no afecta a la medición realizada.

Ejemplo de especificaciones de multímetros digitales.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO

ANÁLISIS ESTADÍSTICO EN INSTRUMENTACIÓN

 

 

¿Cual es la utilidad de la estadística en el campo de la Instrumentación y Control Industrial?

La estadística en la instrumentación industrial es la estadística que busca implementar los procedimientos probabilísticos y estadísticos de análisis e interpretación de datos o características de un conjunto de elementos al entorno industrial, a efectos de ayudar en la toma de decisiones y en el control de los procesos industriales y organizacionales.

DESVIACIÓN MEDIA

En estadística la desviación absoluta promedio o, sencillamente desviación media o promedio de un conjunto de datos es la media de las desviaciones absolutas y es un resumen de la dispersión estadística. Se expresa, de acuerdo a esta fórmula:

DESVIACIÓN ESTÁNDAR

La desviación estándar o desviación típica (denotada con el símbolo σ o s, dependiendo de la procedencia del conjunto de datos) es una medida de centralización o dispersión para variables de razón (ratio o cociente) y de intervalo, de gran utilidad en la estadística descriptiva.

Se define como la raíz cuadrada de la varianza. Junto con este valor, la desviación típica es una medida (cuadrática) que informa de la media de distancias que tienen los datos respecto de su media aritmética, expresada en las mismas unidades que la variable.

Para conocer con detalle un conjunto de datos, no basta con conocer las medidas de tendencia central, sino que necesitamos conocer también la desviación que presentan los datos en su distribución respecto de la media aritmética de dicha distribución, con objeto de tener una visión de los mismos más acorde con la realidad al momento de describirlos e interpretarlos para la toma de decisiones.

Interpretación y aplicación

La desviación estándar es una medida del grado de dispersión de los datos con respecto al valor promedio. Dicho de otra manera, la desviación estándar es simplemente el "promedio" o variación esperada con respecto a la media aritmética.

La desviación estándar puede ser interpretada como una medida de incertidumbre. La desviación estándar de un grupo repetido de medidas nos da la precisión de éstas. Cuando se va a determinar si un grupo de medidas está de acuerdo con el modelo teórico, la desviación estándar de esas medidas es de vital importancia: si la media de las medidas está demasiado alejada de la predicción (con la distancia medida en desviaciones estándar), entonces consideramos que las medidas contradicen la teoría. Esto es coherente, ya que las mediciones caen fuera del rango de valores en el cual sería razonable esperar que ocurrieran si el modelo teórico fuera correcto. La desviación estándar es uno de tres parámetros de ubicación central; muestra la agrupación de los datos alrededor de un valor central (la media o promedio).

MEDIA ARITMÉTICA

En matemáticas y estadística, la media aritmética (también llamada promedio o simplemente media) de un conjunto finito de números es el valor característico de una serie de datos cuantitativos objeto de estudio que parte del principio de la esperanza matemática o valor esperado, se obtiene a partir de la suma de todos sus valores dividida entre el número de sumandos. Cuando el conjunto es una muestra aleatoria recibe el nombre de media muestral siendo uno de los principales estadísticos muestrales.

Expresada de forma más intuitiva, podemos decir que la media (aritmética) es la cantidad total de la variable distribuida a partes iguales entre cada observación.

También la media aritmética puede ser denominada como centro de gravedad de una distribución, el cual no está necesariamente en la mitad.

Una de las limitaciones de la media aritmética es que se trata de una medida muy sensible a los valores extremos; valores muy grandes tienden a aumentarla mientras que valores muy pequeños tienden a reducirla, lo que implica que puede dejar de ser representativa de la población.

Dados los n números, la media aritmética se define como:

Por ejemplo, la media aritmética de 8, 5 y -1 es igual a:

Se utiliza la letra X con una barra horizontal sobre el símbolo para representar la media de una muestra (), mientras que la letra µ (mu) se usa para la media aritmética de una población, es decir, el valor esperado de una variable.

En otras palabras, es la suma de n valores de la variable y luego dividido por n : donde n es el número de sumandos, o en el caso de estadística el número de datos.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).

La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiograma), para minimizar el error de medida.

Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, se necesitan amplificadores específicos llamados de

Instrumentación que deben cumplir unos requisitos generales:

•  Ganancia: seleccionable, estable, lineal.

•  Entrada diferencial: con CMRR alto.

•  Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset

•  Impedancia de entrada alta

•  Impedancia de salida baja

Estructura

En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador:

Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia R_gain

Así que por ella circulará una corriente 

Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resistencias R₁
Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por  R_g, R₁ YR₁ 

Será: 

Simplificando

Que será la diferencia de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's (justo antes de las R₂). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R₂=R₃) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada (sin añadir ganancia), la cual se acaba de definir.

Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las resistencias R₂ y R₃.
En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será: 

En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia R_g para poder controlar la ganancia. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada.

Aplicaciones

•   Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.
•   Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
•   Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
•   En fuentes de alimentación. 

PUENTES DE MEDICION

PUENTES DE MEDICIÓN

Dispositivo electrónico para medir resistencias, capacitancias, inductancia o tensiones para regulaciones automáticas de precion

Los puentes de medición se usan en laboratorios de metrologia, en departamentos de control de calidad y servicios de mantenimiento especializados para chequeo y calibración de instrumentos de control de procesos, controladores de procesos industriales, reles de control, cuyos componentes tales como resistores, condensadores, bobinas, sondas, partes RL, RC, potenciometros etc. 

Requieren de valores precisos para asegurar la buena operación de los equipos.

PUENTE WHEATSTONE

El puente Wheatstone es un circuito inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter Christie (1784-1865).

No obstante, fue el Sr. Charles Wheatestone quien le dio muchos usos cuando lo descubrió en 1843. Como resultado este circuito lleva su nombre. Es el circuito más sensitivo que existe para medir una resistencia

El puente de hilo o también (puente de wheatstone) es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de corriente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias). Muchos equipos tienen un puente de wheatestone incorporado, como por ejemplo medidores de presión (manómetros)  en tecnología de vacío, circuitos resonantes (LCR) para detectar fenómenos como la resonancia paramagnética, etc 

El puente Wheatstone es un circuito muy interesante y se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias (como ya se había dicho). El circuito es el siguiente: (puede conectarse a cualquier voltaje en corriente directa, recomendable no más de 12 voltios).

Cuando el puente se encuentra en equilibrio:

R1 = R2 y Rx = R3  

  de donde

                                                                 R1 / Rx  =  R2 / R3

En este caso la diferencia de potencial (la tensión) es de cero "0" voltios entre los puntos A y B, donde se ha colocado un amperímetro, que muestra que no pasa corriente entre los puntos A y B  (0 amperios) Cuando Rx = R3  VAB = 0 voltios y la corriente = 0 amperios

Si no se conoce el valor de Rx, se debe equilibrar el puente variando el valor de R3. Cuando se haya conseguido el equilibrio Rx será igual a R3 (Rx = R3). R3 debe ser una resistencia variable con una carátula o medio para obtener valores muy precisos.

Ejemplo:

Si R1 y R2 = 1 KΩ (Kilohmio) y R3 = 5 KΩ, Rx deberá de 5 KΩ para lograr que el voltaje entre A y B (VAB) sea cero (corriente igual a cero)

Así, basta conectar una resistencia desconocida (Rx) y empezar a variar R3 hasta  que la corriente entre A y B sea cero. Cuando esto suceda, el valor de RX será  igual al valor de R3

Una aplicación muy interesante del puente Wheatstone en la industria es como sensor de temperatura, presión, etc. (dispositivos que varían el valor de sus resistencias de acuerdo a la variación de las variables antes mencionadas).

Es en el amperímetro donde se ve el nivel o grado de desbalance o diferencia que hay entre el valor normal a medir y la medida real.

También se utiliza en los sistemas de distribución de energía eléctrica donde se lo utiliza para detectar roturas o fallas en las líneas de distribución

PUENTE KELVIN

El puente Kelvin es una modificación del Wheatstone y proporciona un gran incremento en la exactitud de las mediciones de resistencias de valor bajo, y por lo general inferiores a 1 ohm. Considérese el circuito puente de la figura 5-4, donde R_y representa la resistencia del alambre de conexión de R₃ a R_x. Son posibles dos conexiones del galvanómetro, en el punto m ò en el punto n. Cuando el galvanómetro se conecta en el punto m, la resistencia R_y del alambre de conexión se suma a la desconocida R_x, resultando una indicación por arriba de R_x. Cuando la conexión se hace en el punto n, R_y se suma a la rama del puente R₃ y el resultado de la medición de R_x será menor que el que debería ser, porque el valor real de R₃ es más alto que su valor nominal debido a la resistencia R_y. Si el galvanómetro se conecta en el punto p, entre m y n, de tal forma que la razón de la resistencia de n a p y m a p iguale la razón de los resistores R₁ y R₂, entonces.

Hay algunos dispositivos comerciales alcanzar precisiones de 2% para los rangos de resistencia 0,000001 a 25 ohmios. A menudo, ohmímetros incluyen puentes Kelvin, entre otros instrumentos de medición, con el fin de obtener rangos de gran medida, por ejemplo, el Valhalla 4100 ATC de bajo rango ohmiómetro

Los instrumentos para medir los valores sub-ohmios se refieren a menudo como ohmímetros de baja resistencia, mili-óhmetros, micro-óhmetros, etc 

PUENTE DOBLE KELVIN

El termino puente doble se usa debido a que el circuito contiene un segundo juego de tramas de relación figura 5-5. Este segundo conjunto de ramas, marcadas a y b en el diagrama, se conectan al galvanómetro en el punto p con el potencial apropiado entre m y n, lo que elimina el efecto de la resistencia Ry. Una condición establecida inicialmente es que la relación de la resistencia de a y b debe ser la misma que la relación de R₁ y R₂.

La indicación del galvanómetro será cero cuando el potencial en k sea igual al potencial en p, o cuando E_kl = E_imp, donde.

PUENTE DE MAXWELL

El puente Maxwell (o puente Maxwell-Wien) es un circuito electrónico parecido al puente de Wheatstone más básico, con solo resistencias. Este puente es utilizado para medir inductancias (con bajo factor Q).

Siguiendo las referencias de la imagen, R1 y R4 son resistencias fijas y conocidas. R2 y C2 son variables y sus valores finales serán los que equilibren el puente y servirán para calcular la inductancia. R3 y L3 serán calculados según el valor de los otros componentes:

Para evitar las dificultades al precisar el valor del condensador variable, este se puede sustituir por uno fijo y colocar en serie una o más resistencias variables.

La complejidad adicional de usar un puente Maxwell sobre otros más simples se justifica donde hay inductancia mutua o interferencia electromagnética. Cuando el puente esté en equilibrio la reactancia capacitiva será igual a la reactancia inductiva, pudiéndose determinar la resistencia e inductancia de la carga (R3 yL3).

PUENTE DE ANDERSON

Una forma modificada de puente de Maxwell utilizada para la medida de inductancias en términos de capacitancia y resistencia. Como se muestra en la figura el puente posee una resistencia adicional R₅. Las condiciones de equilibrio (que son independientes de la frecuencia) son:

PUENTE ANDERSON