UNIVERSIDAD SAN PEDROFACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE MECANICA ELCTRICA

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Chimbote - 2014

Informe N 11. Explicar diagramalmente como funciona cada tipo de instrumentos de medicin explicados en clase.

2. Indicar y explicar los diferentes tipos de instrumentos de ampermetros

I. Ampermetros electromecnicosEn trminos generales, estos dispositivos se basan en la interaccin mecnica entre corrientes, entre una corriente y un campo magntico o entre conductores electrificados. Estn compuestos esencialmente de un rgano fijo y de un rgano mvil unido a una aguja que indica el valor de la magnitud a medir sobre una escala. El movimiento es de rotacin y est originado por una cupla motriz que es funcin del parmetro a medir. Este movimiento es contrarrestado por un par antagnico y para evitar oscilaciones se dota a la parte mvil de algn dispositivo de amortiguamiento. El valor de la corriente de entrada est dado, por lo tanto, por la lectura del desplazamiento de la aguja sobre una escala graduada.Como todo dispositivo electromecnico, este tipo de ampermetros es voluminoso y est sujeto no slo al desgaste de sus componentes, sino tambin al error de lectura. Sin embargo, la lectura es rpida y por lo tanto son tiles como elementos medidores fijos en tableros.Entre los ampermetros electromecnicos podemos mencionar los siguientes.a) Ampermetros magnetoelctricos o de cuadro/bobina mvilConstan de un imn permanente fijo y un cuadro o bobina mvil que gira bajo el efecto de la fuerza de Ampre cuando circula corriente por el mismo. La espiral en el eje del cuadro tiende a impedir la rotacin del cuadro. Cuanto mayor sea la corriente que atraviesa el cuadro mayor ser el ngulo que ste gira. El cuadro est unido a una aguja cuyo extremo se traslada por una escala. Los instrumentos magnetoelctricos se distinguen por una gran precisin y tienen una alta sensibilidad, pero funcionan nicamente en circuitos de corriente continua (CC).b) Ampermetros electromagnticos o de imn mvilEstos instrumentos constan de una aguja unida a un imn alojado en el interior de una bobina. Cuando la corriente circula por esta ltima, se produce un campo magntico que, dependiendo de su sentido, produce una atraccin o repulsin del imn que es proporcional a la intensidad de dicha corriente.c) Ampermetros ferromagnticos o de hierro mvilConsisten en una bobina fija, en cuyo interior va alojada y soldada una lmina curvada de hierro dulce. La parte mvil es una segunda lmina de hierro dulce, que va unida al eje de acero de la aguja indicadora. Cuando circula corriente por la bobina, ambas lminas de hierro se transforman en imanes por el efecto magntico de la corriente y se repelen mutuamente, obtenindose una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente. La magnitud de la fuerza de repulsin y, por consiguiente la amplitud del movimiento de la aguja, dependen de la cantidad de corriente que circula por la bobina. Estos aparatos tienen la ventaja de servir tanto para corriente continua (CC) como alterna (CA).d) Ampermetros electrodinmicosConstan de dos bobinas, una fija y otra mvil que producen campos magnticos, cada una de las cuales porta una corriente que es funcin de la corriente a medir. La reaccin entre los campos de la bobina fija y la bobina mvil proporciona el torque deflectante del sistema mvil, que es compensado por resortes espiral que tambin se emplean para llevar la corriente a la bobina mvil. Se utilizan principalmente con corriente alterna (CA), pero tambin sirven para corriente continua (CC).La apariencia de todos los ampermetros que hemos visto hasta ahora es similar, como lo muestran las siguientes imgenes.

Ampermetro Bobina Mvil y de HierroPero existe una simbologa impresa en una esquina del visor de cada instrumento que permite diferenciar, por ejemplo, un ampermetro de hierro mvil de uno electrodinmico o uno que funciona para CC de otro que lo hace tanto en CC como CA, etc. En prximas entregas abordaremos con ms detalle la simbologa utilizada en los aparatos de medidas elctricas.

II. Ampermetros trmicosEstos instrumentos se basan en el principio de que todos los conductores se dilatan cuando se calientan. Esta dilatacin es proporcional al calor y, de acuerdo con la ley de Joule, el calor es proporcional al cuadrado de la corriente, independientemente del sentido de la corriente y la naturaleza de esta, por lo que estos ampermetros sirven para corriente alterna o continua. La corriente atraviesa una resistencia, que se calienta a medida que la corriente pasay est en contacto con un par termoelctrico, que est conectado a un galvanmetro. Este mtodo indirecto es utilizado fundamentalmente para medir CA de alta frecuencia.La ventaja de los ampermetros trmicos es que no se ven afectados por los campos magnticos externos. Sin embargo, el elevado consumo necesario para calentar el conductor que experimentar la dilatacin por la corriente que circula por el mismo y el elevado costo de estos aparatos hacen que sean poco usados.

Ampermetros digitalesLos adelantos tecnolgicos han impuesto en el mercado los instrumentos de medicin digital, de gran versatilidad y desempeo. Con los instrumentos digitales se eliminan los errores de lectura, ya que las mediciones se visualizan en una pantalla a travs de un nmero y como las partes mecnicas mviles se han sustituido por circuitos electrnicos, tambin se minimiza el desgaste. La calidad de un instrumento digital estar sujeta, por tanto, a la calidad de los circuitos empleados.En el caso de los ampermetros digitales, se obtienen mediciones exactas de la intensidad tanto para corriente continua como alterna con escalas seleccionables segn el modelo.

Ampermetro digital-trmicoHoy en da la tecnologa digital no solamente ha proporcionado mediciones directas ms confiables a travs de instrumentos instalados de forma permanente, sino que tambin ha posibilitado la pronta aceptacin de instrumentos porttiles.Dos de los instrumentos porttiles para mediciones elctricas ms difundidos son el multmetro y la pinza amperomtrica. Ambos estn disponibles en el mercado en sus versiones analgica y digital, aunque esta ltima es la que se ha impuesto mayormente. Tanto el multmetro como la manera de utilizarlo ya han sido descritos en DMYH, por lo que vamos a ocuparnos brevemente de la pinza amperomtrica.Pinzas amperomtricasEste es un tipo de ampermetro (tambin conocido como ampermetro tenaza o de gancho, por su forma) muy til porque mide instantneamente la intensidad de la corriente alterna o continua sin abrir o interrumpir el circuito. La pinza amperomtrica es accionada enteramente por el campo magntico creado por la corriente y al no tener arrollamientos elctricos no puede quemarse. Las tenazas se abren por una moderada presin de un dedo sobre el gatillo y se cierran automticamente, por lo que requieren solamente una mano. Pueden medir tanto en corriente alterna como continua.De hecho, las pinzas amperomtricas tambin han evolucionado en multmetros, sin embargo, su uso como ampermetro es sumamente amplio en el campo de la electricidad en general, inclusive en la industria automotriz. Los videos que siguen muestran en detalle el uso de una pinza amperomtrica.

3. Indicar y explicar los diferentes tipos de instrumentos de voltmetros

Voltmetros electromecnicosEstos voltmetros, en esencia, estn constituidos por ungalvanmetrocuya escala ha sido graduada envoltios. Existen modelos paracorriente continuay paracorriente alterna.

Voltmetros electrnicosAaden unamplificadorpara proporcionar mayorimpedanciade entrada (del orden de los 20 mega ohmios) y mayor sensibilidad. Algunos modelos ofrecen medida de "verdadero valor eficaz" para corrientes alternas. Los que no miden el verdadero valor eficaz es porque miden el valor de pico a pico, y suponiendo que se trata de una sealsinusoidalperfecta, calculan el valor eficaz por medio de la siguiente frmula:

Voltmetros vectorialesSe utilizan con seales demicroondas. Adems del mdulo de la tensin dan una indicacin de su fase. Se usa tanto por los especialistas y reparadores de aparatos elctricos, como por aficionados en el hogar para diversos fines; la tecnologa actual ha permitido poner en el mercado versiones econmicas y al mismo tiempo precisas para el uso general. Son dispositivos presentes en cualquier casa de ventas dedicada a laelectrnica.Voltmetros digitalesDan una indicacinnumricade la tensin, normalmente en unapantallatipoLCD. Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, deteccin de valor de pico, verdadero valor eficaz (RMS), autorrango y otras funcionalidades.El sistema de medida emplea tcnicas de conversin analgico-digital (que suele ser empleando un integrador de doble rampa) para obtener el valor numrico mostrado en una pantalla numrica LCD.El primer voltmetro digital fue inventado y producido por Andrew Kay de "Non-Linear Systems" (y posteriormente fundador deKaypro) en1954.

4. Definir y explicar matemticamente el funcionamiento terico del multmetro cuando funciona como ampermetro, voltmetro y ohmmetro.Multmetro o polimetroAmpermetroArtculo principal:AmpermetroEsquema 2: ampermetroPara que el polmetro trabaje como ampermetro (Esquema 2) es preciso conectar una resistenciaen paralelo con el instrumento de medida (vnculo). El valor dedepende del valor enamperiosque se quiera alcanzar cuando la aguja alcance el fondo de escala. En el polmetro aparecern tantas resistenciasconmutables como valores diferentes de fondos de escala se quieran tener. Por ejemplo, si se desean escalas de 10miliamperios, 100 miliamperios y 1 amperio y de acuerdo con las caractersticas internas el instrumento de medida (vnculo), aparecern tres resistenciasconmutables.Si se desean medir corrientes elevadas con el polmetro como ampermetro, se suelen incorporar unasbornasde acceso independientes. Los circuitos internos estarn construidos con cable y componentes adecuados para soportar la corriente correspondiente.Para hallarsabemos que se cumple:

DondeIes la intensidad mxima que deseamos medir (fondo de escala), ()es la intensidad que circula por elgalvanmetroela corriente que pasa por la resistencia shunt ().A partir de la relacin:

Que se deduce de laLey de Ohmllegamos al valor que debe tener la resistencia shunt ():

De esta ecuacin se obtiene el valor deque hace que por elgalvanmetropasenmA cuando en el circuito exterior circulan I mA.

VoltmetroArtculo principal:VoltmetroEsquema 3: VoltmetroPara que el polmetro trabaje comovoltmetro(Esquema 3) es preciso conectar una resistenciaen serie con elinstrumento de medida. El valor dedepende del valor en voltios que se quiera alcanzar cuando la aguja alcance elfondo de escala. En el polmetro aparecern tantas resistenciasconmutables como valores diferentes de fondos de escala se quieran tener. Por ejemplo, en el caso de requerir 10 voltios, 20 voltios, 50 voltios y 200 voltios, existirn cuatro resistencias diferentes. Para conocer el valor de la resistencia que debemos conectar utilizamos la siguiente expresin:

Que se desprende directamente de esta:

Lo que llamamoses la intensidad que hay que aplicar al polmetro para que la aguja llegue a fondo de escala.

hmetroArtculo principal:hmetroEsquema 4: hmetroElhmetropermite medir resistencias. Una pila interna hace circular una corriente a travs de la resistencia a medir, el instrumento y una resistencia adicional de ajuste.Cuando los terminales de medida se ponen en cortocircuito circula la mxima corriente por elgalvanmetro. Es el valor de corriente que se asocia aR= 0. Con la resistencia de ajuste se retoca esa corriente hasta que coincida con el fondo de escala y en la divisin que indica la corriente mxima se pone el valor de 0 ohmios. Cuando en los terminales se conecta la resistencia que se desea medir, se provoca una cada de tensin y la aguja se desplaza hacia valores inferiores de corriente, esto es, hacia la izquierda. La escala de resistencias crecer, pues, de derecha a izquierda.Debido a la relacin inversa entre resistencia y corriente (R=V/I), la escala del hmetro no es lineal, lo cual provocar mayor error de medida conforme nos acerquemos a corrientes pequeas (grandes valores de la resistenciaRa medir).MontajeA continuacin presentamos el circuito elctrico que har las veces de hmetro (Esquema 4):Aadiremos una resistencia de proteccina la resistencia variable.Como elemento activo se incluye una pila que hace circular la corriente, cuyas magnitudes sern lafuerza electromotriz y la resistencia interna.Lo primero que hay que hacer es cortocircuitar la resistencia a medirR, y ajustar la resistencia variablepara que la aguja llegue al fondo de la escala.La intensidad que circular por el circuito en este caso sery se puede expresar:

Si ahora conectamosR(eliminamos el cortocircuito), la nueva intensidad quedar:

y se verificar que:

Si combinamos las dos ecuaciones anteriores, obtenemos:

5. Determinar matemticamente por que en un puente Wheastone el voltaje es nulo entre los puntos C y B si las resistencias son proporcionales, es decir R1/R2 es igual a Rx/R3 .

Puente de WheatstoneUnpuente de Wheatstonese utiliza para medirresistenciasdesconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos estn constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia de bajas medidas.En laFigura 1vemos que, Rxes la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2y R3son resistencias de valores conocidos, adems la resistencia R2es ajustable. Si la relacin de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relacin de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), elvoltajeentre los dos puntos medios ser nulo y por tanto no circular corriente alguna entre esos dos puntosCyB.Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2hasta alcanzar el punto de equilibrio. La deteccin de corriente nula se puede hacer con gran precisin mediante elvoltmetroV.La direccin de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2es demasiado alta o demasiado baja. El valor de laF.E.M.(E) del generador es indiferente y no afecta a la medida.

Cuando el puente est construido de forma que R3es igual a R2, Rxes igual a R1en condicin de equilibrio.(corriente nula por el galvanmetro).Asimismo, en condicin de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2y R3se conocen con mucha precisin, el valor de Rxpuede ser determinado igualmente con precisin. Pequeos cambios en el valor de Rxrompern el equilibrio y sern claramente detectados por la indicacin del galvanmetro.De forma alternativa, si los valores de R1, R2y R3son conocidos y R2no es ajustable, la corriente que fluye a travs delgalvanmetropuede ser utilizada para calcular el valor de Rxsiendo este procedimiento ms rpido que el ajustar a cero la corriente a travs del medidor.

6. Explicar el funcionamiento del osciloscopio y el analizador de espectros.

EL OSCILOSCOPIOPuesta en funcionamientoLa forma de trabajo de un osciloscopio consiste en dibujar una grfica Una grfica es una curva que tiene dos ejes de referencia, el denominado de abscisas u horizontal y el eje de ordenadas o vertical. Para representar cada punto de la grfica tememos que dar dos coordenadas, una va a corresponder a su posicin respecto al eje horizontal y la otra va a ser su posicin respecto al en el vertical. Esta grficas se va a representar en la pantalla que tienen todos los osciloscopios debido al movimiento de un haz de electrones sobre una pantalla de fsforo que la parte interna del tubo de rayos catdicos. Para representar dicha seal sobre el tubo se realiza una divisin en dos partes: seal vertical y seal horizontal. Dichas seales son tratadas por diferentes amplificadores y, despus, son compuestas en el interior del osciloscopio.

Un osciloscopio puede ser utilizado para estudiar propiedades fsicas que no generan seales elctricas, por ejemplo las propiedades mecnicas. Para poder representar en pantalla del osciloscopio dichas propiedades, en necesario utilizar transductores que conviertan la seal que le llega, en este caso la mecnica, en impulsos elctricos. Un osciloscopio es un aparato que basa su funcionamiento en la alta sensibilidad que tiene a la tensin, por lo que se pondra entender como un voltmetro de alta impedancia. Es capaz de analizar con mucha presin cualquier fenmeno que podamos transformar mediante un transductor en tensin elctrica.Con el osciloscopio se pueden hacer varias cosas, como:1. Determinar directamente el periodo y el voltaje de una seal. 1. Determinar indirectamente la frecuencia de una seal. 1. Determinar que parte de la seal es DC y cual AC. 1. Localizar averas en un circuito. 1. Medir la fase entre dos seales. 1. Determinar que parte de la seal es ruido y como varia este en el tiempo. En todos los osciloscopios podemos distinguir tres partes: la pantalla; un canal de entrada por las que se introduce la diferencia de potencial a medir; una base tiempos.

a) La pantalla es dnde vamos a ver las seales introducidas por el canal de entrada. Est fabricada con un material fluorescente que se excita a la llegada de los electrones procedentes de un tubo de rayos catdicos situado en el interior del osciloscopio. La intensidad de ste can y su enfoque sobre la pantalla se puede controlar con los mandos 2 y 4 (ver figura 1). b) El canal de entrada para la seal de tensin (en nuestro osciloscopio hay dos) consta de un borne para la recepcin de la seal (24 y 37 cuando se introduce utilizando una clavija coaxial, tambin conocida como BNC); as como un conmutador giratorio para cada canal, 26 y 34, que permiten variar el factor de amplificacin de la seal segn el eje Y. Esta amplificacin posee un ajuste fino en 27 y 33, pero para realizar medidas ste deber estar en su posicin CAL (posicin tope en sentido horario). Los conmutadores 26 y 34 nos sealan en su escala el nmero de voltios por divisin que tenemos. Esta ser la base con la cual podremos conocer el valor de nuestra seal. Cada cuadrado de la pantalla del osciloscopio representa el valor elegido en la escala. El error de medida se corresponde con la menor indicacin en la pantalla (o la mitad) del aparato. Hay que tener en cuenta que esta escala depende de la posicin del mando 26 (tambin con el 34).

c) La base tiempos es vital en el osciloscopio para el registro de las seales que varan con el tiempo. El valor de la tensin de la seal de entrada aparece segn el eje vertical (eje Y) y la seal es representada en funcin del tiempo segn el eje horizontal (eje X). La escala de tiempos puede modificarse girando el conmutador 12. Este mando posee tambin un ajuste fino en 13, y deber estar girado a tope en sentido horario para que la escala de medida de tiempos que indica el mando sea correcta. Para ver correctamente en la pantalla seales que no permanecen estacionarias en la misma, el osciloscopio dispone de un control de disparo ( trigger), que permite fijar en la pantalla todas las seales. Para que funcione correctamente es necesario tener el botn 15 en posicin NORM y girar el botn 16 hasta que se establece la seal. Para ello el botn 14 no deber estar presionado. El error de medida se corresponde con la menor indicacin en la pantalla (o la mitad) del aparato. Hay que tener en cuenta que esta escala depende de la posicin del mando 12.

El analizador de espectrosEl analizador de espectros es una herramienta capaz de representar las componentes espectrales de una determinada seal a partir de su transformada de Fourier. Esta representacin en el dominio de la frecuencia permite visualizar parmetros de la seal que difcilmente podran ser descubiertos trabajando en el dominio del tiempo con ayuda de un osciloscopio.

Es especialmente til para medir la respuesta en frecuencia de equipos de telecomunicaciones (amplificadores, filtros, acopladores, etc) y para comprobar el espectro radioelctrico en una zona determinada con la ayuda de una antena.En la pantalla del equipo la amplitud o potencia de las seales se representa en el eje y y la frecuencia en el eje x . La medida de potencia viene indicada en dBm, una unidad logartmica relativa al milivatio.

DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTOExisten gran variedad de analizadores de espectros en el mercado, de mayor o menor complejidad, pero todos ellos disponen de unas determinadas funciones y controles bsicos que se describen a continuacin.

- Frecuencia. (FRECUENCY). Permite fijar la ventana de frecuencias a visualizar en la pantalla. Se puede definir la frecuencia inicial y final (START-STOP) o bien la frecuencia central junto con el SPAN o ancho de la ventana. - Amplitud. (AMPLITUDE). Controla la representacin en amplitud de la seal de entrada. Permite fijar el valor de la referencia, el nmero de dBm por cada divisin en la pantalla as como el valor de atenuacin en la entrada.- Vista/Traza (VIEW/TRACE). Gestiona parmetros de representacin de la medida, entre los que destacan el almacenamiento de los valores mximos en cada frecuencia y el almacenamiento de una determinada medida para poder ser comparada posteriormente. - Filtro de resolucin/Promedio (BW/AVG). El analizador de espectros captura la medida al desplazar un filtro de ancho de banda pequeo a lo largo de la ventana de frecuencias. Cuanto menor es el ancho de banda de este filtro mejor es la resolucin de la medida y ms tiempo tarda en realizarse. Este men permite controlar los parmetros de este filtro y el del clculo de promedios o averaging. - Marcador/bsqueda de pico (Maker/Peak search). Controla la posicin y funcin de los markers. Un marker o marcador indica el valor de potencia de la grfica a una determinada frecuencia. La bsqueda de pico posiciona un marker de forma automtica en el valor con mayor potencia dentro de nuestra ventana de representacin. UTILIZACIN Y MEDIDAS Antes de configurar el analizador de espectros deberemos tener una idea clara de las caractersticas de la seal a medir, esto es, su potencia, ancho de banda, frecuencia central, etc. Adems, tendremos que saber qu parmetros de la seal quieren medirse, as, por ejemplo, se necesitar una ventana de frecuencias mayor si se desean medir sus armnicos o una menor si lo que se desea medir es su ruido de fase.

Una vez conocida la medida a realizar se fija la ventana de frecuencias, esta puede ser determinada de dos maneras distintas. La primera de ellas consiste en definir la frecuencia inicial de la ventana y la frecuencia final (START - STOP). O bien, definir una frecuencia central y una ventana de frecuencias alredor de ella, tambin conocido como SPAN.De esta manera sera equivalente definir una ventana con frecuencia inicial 150MHz y final 250MHz, que hacerlo a partir de una frecuencia central de 200 MHz y 100MHz de SPAN.Una vez fijada la ventana de visualizacin es muy probable que seamos capaces de distinguir la seal a medir. nicamente restara ajustar la referencia de amplitud y la resolucin en dBm/div para que la seal quede perfectamente representada en pantalla. Jugando con estos valores se podrn distinguir con mayor precisin ciertas caractersticas de la seal como rizado, modulaciones, etc.Por ltimo, y para obtener valores precisos en la medida de la seal, se podrn utilizar los markers del analizador. Estos markers pueden ser utilizados de forma absoluta (entregan la medida directa de la grfica) o relativa (devuelven la diferencia entre dos puntos de la grfica). La utilizacin de unos u otros depender como siempre de la medida a realizar.NOTA: Todos los analizadores de espectros tienen una potencia mxima de entrada que no se deber sobrepasar, por norma general, +30dBm. No obstante se debe siempre comprobar las recomendaciones del fabricante.