UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN FACULTAD F ACULTAD DE INGENIERÍA DEPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS – 543 543 239 INFORME Nº 1 EXP. Nº 2 – CONTRASTACIÓN CONTRASTACIÓN DE INSTRUMENTOS DE CORRIENTE CONTINUA
ALUMNOS
: XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXX X XXXXXXXXXXXXXXXXX : XXXXXXX FECHA ENT. : XXXXXXX : SR. JORGE H. SALGADO : SR. CAMILO T. BELLO A.
FECHA EXP. PROFESOR AYUDANTE
2016
ÍNDICE INTRODUCCIÓN LABORATORIO Nº 1 OBJETIVOS ACTIVIDAD N°1 ACTIVIDAD N°2
1 2 2 2
DESARROLLO ACTIVIDAD N°1 Diseño de circuito de prueba para medición de voltaje Tabulación de datos obtenidos Gráficos de error absoluto y error relativo Determinación de clase
ACTIVIDAD N°2 Diseño de circuito de prueba para medición de corriente Tabulación de datos obtenidos Gráficos de error absoluto y error relativo Determinación de clase
LISTA DE COMPONENTES E INSTRUMENTOS
COMENTARIOS CONLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
3 3 4 5 6 7 7 8 9 10 11 12 13 14
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Experiencia N°1
LABORATORIO Nº 1 Contrastación de Instrumentos de Corriente Continua OBJETIVOS
Conocer los instrumentos y métodos de medición en corriente continua. Utilizar los conocimientos de teoría de circuitos para el diseño de las configuraciones circuitales que se requieren para el desarrollo del laboratorio. Aplicar los conocimientos de error absoluto, error relativo, error admisible y clase.
ACTIVIDAD N° 1 1.1
Considerando el multímetro digital DM-334 como instrumento patrón, diseñar un circuito de prueba que permita obtener las curvas de error absoluto y error relativo en las escalas de 300 mA de C.C. de los instrumentos Philips P-817 y GM 6009. 1.2 En las horas de laboratorio montar el circuito diseñado y obtener los valores de las mediciones con el instrumento patrón. Contraste estas medidas con los valores leídos de los instrumentos bajo prueba. Con los datos anteriores genere tablas tomando 10 valores entre cero y fondo de escala. 1.3 A partir de los valores obtenidos y tabulados en el apartado anterior, confeccione los gráficos correspondientes a las curvas de error absoluto y error relativo de ambos instrumentos bajo contrastación. 1.4 Determinar a qué clase se podrían asimilar los instrumentos contrastados.
ACTIVIDAD N° 2 2.1 Para los mismos instrumentos de la actividad anterior, diseñar un circuito de prueba para obtener las curvas de error relativo y error absoluto en las escalas de voltaje de 30 V de C.C.. Tomar las precauciones de modo que nunca se exceda el voltaje de fondo de escala de los instrumentos. 2.2 En las horas de laboratorio montar el circuito diseñado y obtener los valores de las mediciones con el instrumento patrón. Contraste estas medidas con los valores leídos de los instrumentos bajo prueba. Con los datos anteriores genere tablas tomando 10 valores entre cero y fondo de escala. 2.3 A partir de los valores obtenidos y tabulados en el apartado anterior, confeccione los gráficos correspondientes a las curvas de error absoluto y error relativo de ambos instrumentos b ajo contrastación. 2.4 Determinar a qué clase se podrían asimilar los instrumentos contrastados.
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Experiencia N°1
INTRODUCCIÓN Este informe tiene como objetivo primordial diseñar dos circuitos con el fin de realizar mediciones en primer caso de corriente y posteriormente de voltaje en los circuitos propuestos. Posteriormente, dejando como instrumento patrón uno de los multímetros se procederá a contrastar los resultados de las lecturas para ambos circuitos (tensión y corriente) con la tomada por los otros instrumentos menos precisos. Para conseguir hacer éste contraste, utilizaremos las herramientas aprendidas en clases, obteniendo así curvas de error con el objetivo de captar la eficacia y precisión de estos aparatos, y a su vez notar si el paso de los años o la falta de calibración han logrado atrofiar estos medidores.
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Experiencia N°1
DESARROLLO ACTIVIDAD N° 1 En esta actividad se desea realizar la contrastación de unos instrumentos sin identificación de clase frente a un instrumento patrón en mediciones de voltaje. Esta parte de la experiencia consiste en diseñar e implementar un circuito que permita realizar de forma segura, tanto para los experimentadores como para los equipos, una serie de mediciones las cuales serán de ayuda para determinar la calidad de los instrumentos a contrastar. Dado que se está trabajando con instrumentos que miden voltaje, es imprescindible tener el conocimiento de cómo utilizarlos al momento de realizar una medición. Acorde a los conocimientos entregados en la cátedra por el Profesor encargado, es sabido que toda medición de tensión debe hacerse en paralelo al elemento de interés y nunca de otra forma. A continuación se procede a desarrollar los distintos puntos de la experiencia. 1.1 DISEÑO DE CIRCUITO DE PRUEBA PARA MEDICIÓN DE VOLTAJE Una de las topologías que cumple con el criterio de diseño es la ilustrada en la Fig. 1. Acorde al enunciado se debe cumplir que la tensión máx. de los instrumentos no supere el FE de 30 V. Para cumplir con el diseño se establecen los siguientes supuestos,
El voltaje entregado por la fuente CC se establece a 24 V. La resistencia R 1 tiene un valor fijo a determinar para protección de los instrumentos. La resistencia R 2 tiene un valor variable para poder realizar múltiples mediciones.
REOS .1
CM 6009
Patrón
DC
REOS .2 P 817
Fig. 1 – Circuito de prueba diseñado
Con los supuestos anteriores se procede con el diseño del circuito. Este diseño se realiza bajo la premisa de la peor condición, que se presenta cuando R 2 >> R 1 (vmax ≈ VCC). La ecuación de diseño queda dada por, vmax
= [R 2/(R 1 + R 2)] × V CC
Luego, se impone como peor condición que R 2 = 2×R 1 (que es aproximado a la relación existente entre los valores máximos de los reóstatos del laboratorio) con lo que se tiene, vmax vmax
= [2×R 1/(R 1 + 2×R 1)] × V CC = (2/3) × V CC = 16 V
Así entonces, se escoge R 1 = 125 Ω (valor máx. aprox. de uno de los reóstatos). D.I.E. - UdeC
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Experiencia N°1
1.2 TABULACIÓN DE DATOS OBTENIDOS Los datos leídos y obtenidos de la experiencia de laboratorio se encuentran tabulados en la Tabla 1. Por otra parte, los errores absolutos y los errores relativos de las mediciones realizadas por los instrumentos análogos, respecto del instrumento digital, se encuentran tabulados en la Tabla 2. Tabla 1 – Lectura de instrumentos LECTURA
LECTURA
LECTURA
Multímetro Digital DM-334 0.065 V
Multímetro Análogo GM-6009 0.1 V
Multímetro Análogo P-817 0.1 V
5.11
V
4.5
V
5.5
V
8.45
V
7.6
V
8.5
V
12.19
V
11.5
V
12.1
V
14.40
V
13.6
V
14.3
V
15.34
V
14.5
V
15.0
V
18.80
V
18.0
V
18.5
V
20.36
V
19.5
V
20.0
V
22.86
V
22.0
V
22.5
V
25.38
V
24.4
V
25.0
V
Tabla 2 – Errores de medición VALOR NOMINAL
ERROR ABSOLUTO
Multímetro
Multímetro
Digital DM334 0.065 V 5.11 V 8.45 V 12.19 V 14.40 V 15.34 V 18.80 V 20.36 V 22.86 V 25.38 V
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ERROR RELATIVO Multímetro
Análogo GM-6009
Multímetro Análogo P-817
Análogo GM-6009
Multímetro Análogo P-817
0.035
0.035
0.538
0.538
0.61
0.39
0.119
0.076
0.85
0.05
0.101
0.006
0.69
0.09
0.057
0.007
0.8
0.1
0.056
0.007
0.84
0.34
0.055
0.022
0.8
0.3
0.042
0.016
0.86
0.36
0.042
0.018
0.86
0.36
0.038
0.016
0.98
0.38
0.039
0.015
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Experiencia N°1
1.3 GRÁFICOS DE ERROR ABSOLUTO Y ERROR RELATIVO Las gráficas de los errores absolutos y los errores relativos relacionados con los instrumentos análogos GM6009 y P-817 se ilustran en la Fig. 2 y la Fig. 3.
Fig. 2 – Gráfico de errores absolutos
Fig. 3 – Gráfico de errores relativos al instrumento patrón D.I.E. - UdeC
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Experiencia N°1
1.4 DETERMINACIÓN DE CLASE Se define como clase o calidad de un instrumento al error relativo admisible correspondiente a la escala máxima, expresado en porcentaje. Las expresiones son, Clase = (eadm/V x)×100 Clase = Eadm×100
, Donde Vx es el valor máximo de la escala (FE) de referencia. Vx Expresa el alcance del instrumento. , Donde Eadm = eadm/V x = Error admisible máximo, relativo a V x (FE).
Para el caso del instrumento GM-6009, el fabricante estipula que el error máximo aproximado que se presentará en una medición, para cualesquier escala (modo voltaje continuo), es de 3% del valor de fondo de escala; es decir, 0.9 V (con escala de 30 V). La escala utilizada es la de 30 V, por lo que la clase de éste instrumento es, GM-6009
: Clase = (0.9/30)×100 = 3
Así entonces, el instrumento análogo GM-6009 es de clase 3, situándose en la categoría de Instrumentos de Servicio.
Por otra parte, para el instrumento P-817, el fabricante no estipula un error máximo para las mediciones, por lo que la clase debe ser determinada en base a los datos obtenidos en la experiencia de laboratorio. Para esto, debe identificarse el máximo error absoluto de las muestras y utilizar este valor como error admisible máximo. De la Tabla 2 se observa que este error es de 0.98, lo que equivale a un 3.86% del valor entregado por el instrumento patrón. Luego, se puede estimar que el error máximo a fondo de escala es aproximadamente 4%, lo que equivale (para escala de 30 V) a 1.2 V. Considerando que se utilizó la escala de 30 V, la clase de este instrumento es, P-817
: Clase = (1.2/30)×100 = 4
Así entonces, el instrumento análogo P-817 es de clase 4, situándose en la categoría de Instrumentos de Servicio.
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Experiencia N°1
ACTIVIDAD N° 2 En esta actividad se desea realizar la contrastación de unos instrumentos sin identificación de clase frente a un instrumento patrón en mediciones de corriente. Esta parte de la experiencia consiste en diseñar e implementar un circuito que permita realizar de forma segura, tanto para los experimentadores como para los equipos, una serie de mediciones las cuales serán de ayuda para determinar la calidad de los instrumentos a contrastar. Dado que se está trabajando con instrumentos que miden corriente, es imprescindible tener el conocimiento de cómo utilizarlos al momento de realizar una medición. Acorde a los conocimientos entregados en la cátedra por el Profesor encargado, es sabido que toda medición de corriente debe hacerse en serie a la rama en donde se encuentra el elemento de interés y nunca de otra forma. A continuación se procede a desarrollar los distintos puntos de la experiencia. 1.1 DISEÑO DE CIRCUITO DE PRUEBA PARA MEDICIÓN DE CORRIENTE Una de las topologías que cumple con el criterio de diseño es la ilustrada en la Fig. 4. Acorde al enunciado se debe verificar que la corriente máx. que circule por la red no supere el FE de 300 mA. Para cumplir con el diseño se establecen los siguientes supuestos,
El voltaje entregado por la fuente CC se establece a 12 V. La resistencia R 1 tiene un valor fijo a determinar para protección de los instrumentos. La resistencia R 2 tiene un valor variable para poder realizar múltiples mediciones. P 817 CM 6009
REOS .2
REOS .1
Patrón
DC
Fig. 4 – Circuito de prueba diseñado
Con los supuestos anteriores se procede al diseño del circuito. Este diseño se realiza bajo premisa de la peor condición, que se presenta cuando R 2 es mínima ( 0 Ω idealmente). Con esto en mente se tiene que la corriente máx. que circula por el circuito queda limitada únicamente por R 1, luego el diseño consiste en determinar R 1 de tal forma que no se vean dañados los instrumentos. La ecuación de diseño qued a dada por, VCC = imax × R 1 R 1 = VCC/imax = 40 Ω Así entonces, se escoge una Resistencia igual a 1.2 × R 1
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≈
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50 Ω entregando un factor de 20% de seguridad.
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Experiencia N°1
1.2 TABULACIÓN DE DATOS OBTENIDOS Los datos leídos y obtenidos de la experiencia de laboratorio se encuentran tabulados en la Tabla 3. Por otra parte, los errores absolutos y los errores relativos de las mediciones realizadas por los instrumentos análogos, respecto del instrumento digital, se encuentran tabulados en la Tabla 4. Tabla 3 – Lectura de instrumentos LECTURA
LECTURA
LECTURA
Multímetro Digital DM-334
Multímetro Análogo GM-6009
Multímetro Análogo P-817
68.0
mA
69.0
mA
71.0
mA
80.5
mA
79.2
mA
83.6
mA
87.0
mA
84.0
mA
90.0
mA
96.7
mA
96.0
mA
100.4
mA
105.0
mA
103.5
mA
110.0
mA
116.9
mA
114.3
mA
120.0
mA
128.9
mA
126.3
mA
136.0
mA
150.0
mA
147.0
mA
158.0
mA
176.3
mA
174.0
mA
185.0
mA
235.2
mA
233.4
mA
249.0
mA
Tabla 4 – Errores de medición VALOR NOMINAL Multímetro
Digital DM334 68.0 mA 80.5 mA 87.0 mA 96.7 mA 105.0 mA 116.9 mA 128.9 mA 150.0 mA 176.3 mA 235.2 mA
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ERROR ABSOLUTO Multímetro
ERROR RELATIVO Multímetro
Análogo GM-6009
Multímetro Análogo P-817
Análogo GM-6009
Multímetro Análogo P-817
1,0
3.0
0.015
0.044
1.3
3.1
0.016
0.038
3.0
3.0
0.034
0.034
0.7
3.7
0.007
0.038
1.5
5.0
0.014
0.048
2.6
3.1
0.022
0.026
2.6
7.1
0.020
0.055
3.0
8.0
0.02
0.053
2.3
8.7
0.013
0.049
1.8
13.8
0.008
0.059
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Experiencia N°1
1.3 GRÁFICOS DE ERROR ABSOLUTO Y ERROR RELATIVO Las gráficas de los errores absolutos y los errores relativos relacionados con los instrumentos análogos GM6009 y P-817 se ilustran en la Fig. 5 y la Fig. 6.
Fig. 5 – Gráfico de errores absolutos
Fig. 6 – Gráfico de errores relativos al instrumento patrón
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1.4 DETERMINACIÓN DE CLASE Se define como clase o calidad de un instrumento al error relativo admisible correspondiente a la escala máxima, expresado en porcentaje. Las expresiones son, Clase = (eadm/V x)×100 Clase = Eadm×100
, Donde Vx es el valor máximo de la escala (FE) de referencia. Vx Expresa el alcance del instrumento. , Donde Eadm = eadm/V x = Error admisible máximo, relativo a V x (FE).
Para el caso del instrumento GM-6009, el fabricante estipula que el error máximo aproximado que se presentará en una medición, para cualesquier escala (modo corriente continua), es de 3% del valor de fondo de escala; es decir, 9 mA (con escala de 300 mA). La escala utilizada es la de 300 mA, por lo que la clase de éste instrumento es, GM-6009
: Clase = (9/300)×100 = 3
Así entonces, el instrumento análogo GM-6009 es de clase 3, situándose en la categoría de Instrumentos de Servicio.
Por otra parte, para el instrumento P-817, el fabricante no estipula un error máximo para las mediciones, por lo que la clase debe ser determinada en base a los datos obtenidos en la experiencia de laboratorio. Para esto, debe identificarse el máximo error absoluto de las muestras y utilizar este valor como error admisible máximo. De la Tabla 4 se observa que este error es de 13.8, lo que equivale a un 5.87% del valor entregado por el instrumento patrón. Luego, se puede estimar que el error máximo a fondo de escala es aproximadamente 6%, lo que equivale (para escala de 600 mA) a 36 mA. Considerando que se utilizó la escala de 600 mA, la clase de este instrumento es, P-817
: Clase = (36/600)×100 = 6
Así entonces, el instrumento análogo P-817 es de clase 6, situándose en la categoría de Instrumentos de Servicio.
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LISTA DE COMPONENTES E INSTRUMENTOS Componentes
Valores
1 Multímetro Digital EZ Digital DM-334 1 Multímetro Análogo Philips P-817 1 Multímetro Análogo Philips GM-6009 1 Fuente de Poder C.C. EZ GP4303D 1 Reóstato 1 Reóstato
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120 Ω/1.5 A 480 Ω/300 mA
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Experiencia N°1
COMENTARIOS Aquí debieran ir todos los comentarios relacionados con las actividades previas a las experiencias como de la experiencia misma. Un ejemplo de estos puede ser: “En el momento de realizar la medición de interés, uno de los participantes del grupo de trabajo se percató de un mal funcionamiento del equipo utilizado, por lo cual se procedió a realizar el cambio de éste. La falla que presentaba el equipo …”.
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Experiencia N°1
CONCLUSIONES Aquí debieran ir todas las conclusiones que se pudieron apreciar con el desarrollo de la experiencia. Un ejemplos de estas puede ser: “El diseño de los circuitos de prueba utilizados en cada actividad es crucial para salvaguardar la integridad tanto de las personas como de los instrumentos involucrados. Es de suma importancia tomar medidas de protección durante el procedimiento de diseño, tales como la que se ilustra en la Fig. 1, en donde se insertó una resistencia en serie R 1 para asegurar que la caída de tensión en R 2 no superara el fondo de escala de los instrumentos utilizados…” .
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Experiencia N°1
BIBLIOGRAFÍA Aquí debieran ir un listo de libros o documentos en los cuales se apoyaron para efectuar los trabajos asociados a la experiencia.
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