UNIDAD 1 Generalidades Sobre Mediciones
1.1 Sistem Sistemas as de unidad unidades es y patr patrone ones. s. 1.2 1.2 Conc Concep epto to de de med medid ida. a. 1.3 1.3 Prec Precis isió ión n y exac exacti titu tud. d. 1.4 1.4 Sens Sensib ibiilida lidad. d. 1.5 Errore Errores s de de medic medición ión y su reducc reducción ión.. 1.6 1.6 Cal Calibra ibraci ción ón.. 1.7 ipos ipos de corrie corriente nte el!ctr el!ctric ica. a. 1." 1." #orm #orma as de de ond onda. a. 1.$ #recue #recuenci ncia% a% period periodo% o% ampli amplitud tud.. 1.1&'alor promedio 1.11'alor e(ica) en la medición de se*ales el!ctricas.
Mediciones eléctricas
+as mediciones eléctricas son los m!todos% dispositi,os y c-lculos usados para medir cantidades el!ctricas. +a medición de cantidades el!ctricas puede acerse al medir par-metros el!ctricos de un sistema. /sando transductores% propiedades (0sicas como la temperatura% presión% (luo% (uer)a% y mucas otras pueden con,ertirse en se*ales el!ctricas% ue pueden ser con,enientemente reistradas y medidas. 1.1 Sistemas de unidades y patrones. Unidad de medida /na unidad de medida es una cantidad estandari)ada de una determinada manitud (0sica es decir de una propiedad o cualidad medible de un sistema (0sico. Por lo eneral una unidad de medida toma su ,alor a partir de un patrón unidades b-sicas o (undamentales o de una composición de otras unidades de(inidas pre,iamente unidades deri,adas. Patrón de medida /n patrón de medición es una representación (0sica de una unidad de medición. /na unidad se reali)a con re(erencia a un patrón (0sico arbitrario o un (enómeno natural ue incluye constantes (0sicas y atómicas. Por eemplo% la unidad (undamental de masa en el Sistema nternacional S es el iloramo. Por lo tanto un patrón de medidas es el eco aislado y conocido ue sir,e como (undamento para crear una unidad de medir manitudes. 8s0 como existen unidades (undamentales y deri,adas de medición tambi!n existen di(erentes tipos de patrones de medición% los cuales se clasi(ican por su (unción y aplicación en las siuientes cateor0as9 a) Patrones internacionales Estos se de(inen por acuerdos internacionales. : presentan las siuientes caracter0sticas9 ;epresentan ciertas unidades de medida con la mayor exactitud ue permite la tecnolo0a de producción y medición. Se e,al
2$$ 7$2 45" de seundo. e) Kilogramo (Kg) Es iual a la masa del prototipo internacional del iloramo f) mpere () Es la intensidad de una corriente constante ue manteni!ndose en dos conductores paralelos% rectil0neos% de lonitud in(inita% de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el ,ac0o% produce una (uer)a iual a 2 x 1&?7 n!@tones por metro de lonitud. El g) Kel!in (K) /nidad de temperatura termodin-mica% es la (racción 1>273.16de la temperatura termodin-mica del punto triple del aua. 8dem-s de la temperatura termodin-mica s0mbolo expresada en el,in% se utili)a tambi!n la temperatura Celsius s0mbolo t de(inida por la ecuación t " (#) (#$) donde #$ " %&'.1 K por de(inición. ) Mol (mol) Es la cantidad de sustancia de un sistema ue contiene tantas entidades elementales como -tomos ay en &%&12 iloramos de carbono 12.Cuando se emplee el mol% deben especi(icarse las unidades elementales% ue pueden ser -tomos% mol!culas% iones% electrones u otras part0culas o rupos especi(icados de tales part0culas.
Sistema *nternacional de Unidades Este es la (orma actual del sistema m!trico decimal y establece las unidades ue deben ser utili)adas internacionalmente. Su creación est- dada por el Comit! nternacional de Pesos y Aedidas con sede en
#rancia. Se establecen7 manitudes (undamentales% con los patrones para medirlas9 +onitud Aasa iempo ntensidad el!ctrica emperatura ntensidad luminosa Cantidad de sustancia ambi!n establece mucas manitudes deri,adas% ue no necesitan de un patrón% por estar compuestas de manitudes (undamentales.
1.% +oncepto de medida. /na medida es el resultado de la comparación de una manitud con otra de la misma especie ue se toma como unidad. +os m!todos industriales de medidas se sir,en de aparatos y erramientas de tipo mec-nico% el!ctrico% óptico% etc.% alunos de los cuales% como la escuadra raduada o el micrómetro% poseen ,alores ,ariables entre los ue se puede determinar el de la manitud. Btros instrumentos poseen ,alores tipo o (ios y se utili)an% por eemplo% para trabaos de (abricación en serie% e(ectu-ndose la comparación por medio de calibres y alas. En (0sica% re(iere al ,alor obtenido como resultado de una obser,ación. Para poder reali)ar una medida es necesario tener un dato patrón% llamado unidad el resultado de la medición ser- el n
1.' Precisión y e,actitud
+a exactitud indica los resultados de la proximidad de la medición con respecto al ,alor ,erdadero% mientras ue la precisión con respecto a la repetibilidad o reproductibilidad de la medida. En inenier0a% ciencia% industria y estad0stica% exactitud y precisión no son eui,alentes. Precisión se re(iere a la dispersión del conunto de ,alores obtenidos de mediciones repetidas de una manitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. /na medida com
1.- Sensibilidad
En electrónica% la sensibilidad es la m0nima manitud en la se*al de entrada reuerida para producir una determinada manitud en la se*al de salida% dada una determinada relación se*al>ruido% u otro criterio especi(icado. En una cur,a de calibrado% la sensibilidad ueda representada por la pendiente de la misma.
n(ormación comercial +os (abricantes de sensores ue o(recen una salida de ,oltae eemplo9 ala extensiom!trica ó c!lula de cara suelen dar su ,alor en m'>' mili ,oltios por ,oltio ue se de(ine como9
Eemplo9 /na c!lula de cara con una capacidad nominal 1?1&& toneladas con una sensibilidad de 2m'>' con una alimentación recomendada entre 5' y 2&'. Si se alimenta a 1&'% su sensibilidad seria9
Con esto se sabe ue la c!lula soporta 2&m' para 1&& toneladas% por lo tanto se puede calcular su resolución% adicionalmente es posible controlar ue resolución conseuir ,ariando la tensión de alimentación.
1. rrores de medición y su reducción.
1./ +alibración +a calibración es el proceso de comparar los ,alores obtenidos por un instrumento de medición con la medida correspondiente de un patrón de re(erencia o est-ndar. Se
seundo paso% usa esta in(ormación para establecer una relación para obtener un resultado de la medida a partir de una indicación=.1 Fe esta de(inición se puede deducir ue para calibrar un instrumento o un est-ndar se necesita disponer de uno de mayor precisión patrón ue proporcione el ,alor con,encionalmente ,eri(icable% el cual se utili)ar- para compararlo con la indicación del instrumento ue est- siendo sometido a la calibración. Esto se reali)a mediante una cadena ininterrumpida y completamente documentada de comparaciones asta llear al patrón primario% ue constituye lo ue se conoce como tra)abilidad.2 El obeti,o de la calibración es mantener y ,eri(icar el buen (uncionamiento de los euipos% responder los reuisitos establecidos en las normas de calidad y aranti)ar la (iabilidad y la tra)abilidad de las medidas. +os instrumentos de medida reuieren ser calibrados con m-s (recuencia cuanto m-s exactas sean sus muestras% es decir% cuanto menor sean las tolerancias de error. En eneral% los inter,alos de calibración dependen de (actores como los reuerimientos dados por un cliente o una reulación y la estabilidad con el tiempo del instrumento a calibrar.3 Proceso de calibración El proceso de calibración se inicia con el dise*o del instrumento de medida ue a de ser calibrado. El dise*o tiene ue ser capa) de =soportar la calibración= a tra,!s de su inter,alo de calibración. Es decir% el dise*o tiene ue ser capa) de tomar medidas ue se encuentren dentro de la =tolerancia inenieril= cuando se utili)a en condiciones ambientales durante un periodo de tiempo ra)onable. El mecanismo exacto para la asinación de ,alores de tolerancia ,aria seo complea puede resultar a
una orani)ación tena planeado un proceso de calibración concreto para ella. Por eemplo% si una empresa dispone de ,arias m-uinas iuales% las m-uinas m-s ,ieas se emplear-n para los trabaos menos su(ridos y% por lo tanto% necesitar-n de una calibración limitada. +as m-uinas ue se emplean a menudo y de las cuales depende el proceso de producción% en cambio% se abr-n de calibrar de (orma m-s abitual y con unas tolerancias bastante austadas. Por otra parte% cada m-uina se abr- de calibrar solo en relación a la operación>(aena ue desarrolle. Esto se re(iere a ue aunue la m-uina realmente pueda reali)ar mucos m-s trabaos de las ue realmente ace en el proceso de producción% solo se a de calibrar la (aena ue realmente aa de (orma acti,a. El resto de los procesos de calibración resultar- innecesario. Este proceso de escoer y dise*ar el proceso de calibración se a de reali)ar para todos los instrumentos b-sicos ue est!n presentes en la orani)ación.
1.& #ipos de corriente 0a corriente eléctrica es el flujo de electrones o cargas dentro de un circuito eléctrico cerrado. Esta corriente siempre ,iaa desde el polo neati,o al positi,o de la (uente suministradora de #EA% ue es la (uer)a electromotri). Existen dos tipos de corriente9 la continua y la alterna.
+orriente continua (+.+.) a esta tambi!n se la conoce como corriente directa (+.2.) y su caracter0stica principal es ue los electrones o caras siempre (luyen% dentro de un circuito el!ctrico cerrado% en el mismo sentido. +os electrones se trasladan del polo neati,o al positi,o de la (uente de #EA. 8lunas de estas (uentes ue suministran corriente directa son por eemplo las pilas% utili)adas para el (uncionamiento de arte(actos electrónicos. Btro caso ser0a el de las bater3as usadas en los transportes motori)ados. +o ue se debe tener en cuenta es ue las pilas% bater0as u otros dispositi,os son los ue crean las caras el!ctricas% sino ue estas est-n presentes en todos los elementos presentes en la naturale)a. +o ue acen estos dispositi,os es poner en mo,imiento a las caras para ue se inicie el (luo de corriente el!ctrica a partir de la (uer)a electroman!tica. Esta (uer)a es la ue mo,ili)a a los electrones contenidos en los cables de un circuito el!ctrico. +os metales son los ue permiten el meor (luo de caras% es por esto ue se los denomina conductores.
+orriente alterna (+..) a di(erencia de la corriente anterior% en esta existen cambios de polaridad ya ue esta no se mantiene (ia a lo laro de los ciclos de tiempo. +os polos neati,os y positi,os de esta corriente se in,ierten a cada instante% se
1." 4ormas de onda
+as manitudes (undamentales ue se ,an a calcular en un circuito son tensiones y corrientes. Estas manitudes son pro,ocadas por los elementos acti,os existentes en el circuito y su ,alor depender- de la (unción ue sia la tensión en las (uentes de tensión o la intensidad en las (uentes de intensidad% adem-s del resto de elementos pasi,os ue constituyan el circuito. 8 estas manitudes le llamaremos se*ales% as0 tendremos se*ales de tensión y se*ales de corriente. Estas se*ales ue pueden tomarse directamente de las (uentes% o de cualuier punto del circuito estar-n constituidas por ,alores de tensión o de corriente ue ,ariar-n con el tiempo% cuya representación dar- luar a una cur,a ue obedecer- a una (unción m-s o menos complea. 8 la (orma de esa cur,a es a lo ue llamaremos (orma de onda de la se*al. +as (ormas de onda ue se pueden presentar en un circuito pueden ser in(initas% pero las podemos arupar en tres randes rupos% en los ue podremos distinuir las particularidades ue aparecen en los circuitos en (unción del tipo de (orma de onda ue presenten los eneradores del circuito. K Se*ales con (orma de onda constante +as (uentes ue presentan una se*al constante en el tiempo% reciben el nombre de (uentes de continua. 8s0 mismo a los circuitos ue solo tenan (uentes de continua% les llamaremos circuitos de continua% en los ue todas las corrientes y tensiones ser-n constantes en el tiempo. En este tipo de circuitos solo tendremos resistencias como elementos pasi,os. K Se*ales con (orma de onda periódica 8 las se*ales ue no son constantes les llamaremos se*ales ,ariables en el tiempo% las cuales tendr-n su correspondiente (orma de onda. Fe las cuales destacaremos en primer luar las ue cumple la condición de ser periódicas% es decir% ay un inter,alo de tiempo y por tanto una porción de la onda ue se repite continuamente. /na caracter0stica de las se*ales periódicas9 Es el concepto de alternancia% de modo ue diremos ue una se*al o (unción es alterna cuando su (orma de onda ,a tomando ,alores positi,os y neati,os alternadamente. Por eemplo% las se*ales a% b% c% % i% y m de la (i. 1.5. Fe las se*ales periódicas% mención especial tienen las ue responden a la (unción seno o coseno. +as (uentes ue proporcionan esta (orma de onda reciben el nombre de (uentes de alterna o eneradores de alterna% llamados tambi!n alternadores. Esta se*al es la ue proporciona la m-uina el!ctrica eneradora b-sica y su (orma se debe al ser enerada por un elemento rotati,o de la m-uina% ue estudiaremos en el siuiente tema. En los centros de producción de ener0a el!ctrica se utili)a este sistema% por lo ue la (orma de onda de la tensión en los sistemas de suministro% transporte y consumo es periódica% alterna y senoidal. Este tipo de se*ales son la a y la m de la (i. 1.5% aunue de distinta (recuencia. 8 los circuitos ue solo tenan (uentes de alterna% les llamaremos circuitos de alterna% en los ue todas las corrientes y tensiones ser-n de este tipo. Febido a la importancia de este tipo de circuitos% ser- con estos con los ue estudiaremos todos los m!todos de an-lisis. En los circuitos en los ue exista una (uente con (orma de onda periódica pero no senoidal% aplicaremos un m!todo de an-lisis en el ue la (unción periódica se puede descomponer en se*ales senoidales superpuestas% aplicando a cada una de ellas los m!todos estudiados. Iay un tema dedicado a este tipo de se*ales. K Se*ales con (orma de onda no periódica +as (uentes ue presentan una se*al ,ariable pero no periódica% corresponden a (ormas de onda compleas% de las ue se pueden distinuir (ormas simples% como cambios de la se*al en un tiempo bre,e. Estos cambios bre,es pro,ocaran Se*al o (unción periódica.? Es auella cuya (orma de onda ,a tomando ,alores ue se repiten en el tiempo cada cierto inter,alo llamado periodo . nt(t(t( LMLM n M n
1.5 4recuencia6 periodo6 amplitud.
4recuencia (f).
El tercer par-metro% uno de los m-s (undamentales en 8c1&& s% entonces la (recuencia ser-% aplicando la primera relación% 1&& I). Si% en cambio conocemos ue la (recuencia es de 1.&&& I)% aplicando la seunda relación se llea a ue el periodo es de &%&&1 s% es decir 1 ms.
Periodo.
/n seundo par-metro es el periodo% % ue se de(ine como el tiempo transcurrido entre una perturbación y la siuiente. Se mide en seundos s o miliseundos ms% es decir la mil!sima parte de un seundo. El periodo de los sonidos audibles para el ser umano ,ar0a entre los &%&5 ms sonidos muy audos y los 5& ms sonidos muy ra,es. Cabe destacar ue son tiempos muy cortos ue impiden en eneral ue los ciclos puedan percibirse como (enómenos separados. El cerebro tiende a interarlos en una
El ra(ico representación r-(ica de una onda con periodo en 1 Seundo. Como se puede obser,ar en el ra(ico 6 tenemos una onda con periodo en 1 seundo% uiere decir ue en un seundo es el tiempo ue tarda la onda en acer un ciclo completo.
mplitud.
El oscilorama nos permite interpretar (-cilmente un par-metro del sonido ,inculado a la (uer)a o intensidad del mismo9 la amplitud. +a amplitud se de(ine como el m-ximo ,alor ue alcan)a una oscilación en un ciclo. +a amplitud se denomina tambi!n ,alor de pico o ,alor pico. En el ra(ico % ,emos la misma (orma de onda con dos amplitudes di(erentes.
7rafico. Fos ondas con iual (recuencia y (orma de onda% pero con di(erente amplitud. a Peue*a amplitud. b ran amplitud.
1.1$
8alor promedio
'alor promedio El ,alor promedio de un ciclo completo de ,oltae o corriente es cero &. Si se toma en cuenta solo un semiciclo suponamos el positi,o el ,alor promedio es9 ' P; M 'PCB x &.636 . +a relación ue existe entre los ,alores ;AS y promedio es9 ' ;AS M 'P; x 1.11 ' P; M ';AS x &.$ Eemplo9 'alor promedio de sinusoide M 5& 'oltios% entonces9 •
';AS M 5& x 1.11 M 55.5 'oltios
•
'PCB M 5& x 1.57 'oltios M 7".5 'oltios
;esumiendo Dotas9 •
El ,alor pico?pico es 2 x 'alor pico
•
'alor ;AS M 'alor e(ica) M 'alor e(ecti,o
'alor ;AS +a corriente alterna y los ,oltaes cuando son alternos se expresan de (orma com&.7&7 Eemplo9 encontrar el ,oltae Pico de un ,oltae ;AS •
';AS M 12& 'oltios
•
'PCBM 12& ' > &.7&7 M 16$.7 'oltios Pico
1.11
8alor efica9 en la medición de se:ales eléctricas.
Se llama ,alor e(ica) de una corriente alterna% al ,alor ue tendr0a una corriente continua ue produera la misma potencia ue dica corriente alterna% al aplicarla sobre una misma resistencia. Es decir% se conoce el ,alor m-ximo de una corriente alterna &. Se aplica !sta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia producida sobre ella. 8 continuación% se busca un ,alor de corriente continua ue produ)ca la misma potencia sobre esa misma resistencia. 8 este
7losario #est9 sinónimo de prueba o examen. Patrón Especi(icación de un m!todo de test% lo ue proporciona el m!todo de comparación por lo ue se calibra el instrumento. Patrones de trabajo utili)ados d0a a d0a utili)ados para comprobar y calibrar los instrumentos o para reali)ar comparaciones de medidas. Patrones primarios /nidades b-sicas (undamentales de los patrones mantenidas por los laboratorios nacionales de est-ndares de los pa0ses. Patrones secundarios 8uellos patrones de re(erencia ue son ,eri(icados y calibrados periódicamente (rente a los patrones primarios de los laboratorios nacionales. Sistema *nternacional de Unidades (orma actual del sistema m!trico decimal y establece las unidades ue deben ser utili)adas internacionalmente. Medida es el resultado de la comparación de una manitud con otra de la misma especie ue se toma como unidad. Medidas analógicas cantidad ue est- siendo medida se controla continuamente Medidas comparadas cantidad ue est- siendo medida se compara con unos est-ndares y su ,alor se da cuando se a tenido la iualación. Medidas digitales Con los instrumentos diitales la cantidad ue est- siendo medida se muestrea a inter,alos reulares de tiempo. Precisión Aedida de la dispersión de los resultados obtenidos desde medidas como un resultado de errores aleatorios. rror El error de una medida es la di(erencia entre el resultado de la medida y el ,alor real de la cantidad ue se uiere medir.
+uestionario 1.; <=ué es un sistema de unidades> /n conunto de unidades de medida en el ue ninuna manitud tena m-s de una unidad asociada. %.; <=ué es un patrón> /n patrón de medición es una representación (0sica de una unidad de medición. '.; <=ue es medida> /na medida es el resultado de la comparación de una manitud con otra de la misma especie ue se toma como unidad. -.; <=ué es una medida analógica> Cantidad ue est- siendo medida se controla continuamente y el instrumento utili)ado da una respuesta analóica a la cantidad. .; <=ué es una medida digital> Cantidad ue est- siendo medida se muestrea a inter,alos reulares de tiempo /.; <=ué es precisión> Precisión es el rado de concordancia dentro de un rupo de mediciones o instrumentos. &.; <=ué es e,actitud> Se re(iere al rado de aproximación o con(ormidad al ,alor real de la cantidad medida. ?.; <=ué es sensibilidad> Es una medida del cambio en la salida del instrumento ue ocurre cuando la calidad medida ,ar0a en una cantidad determinada. 5.; <+ómo se puede acer una reducción en los errores> /tili)ando un instrumento inteliente el cual incluye todos los elementos usuales de un sistema de medición. 1$.; <=ue es calibración> Es el proceso de determinar la relación entre el ,alor de la cantidad ue se uiere medir y la correspondiente posición del 0ndice del instrumento 11.; <=ue es corriente eléctrica> +a corriente el!ctrica es el (luo de cara el!ctrica por unidad de tiempo ue recorre un material. 1%.; V Bndas senoidales V Bndas cuadradas y rectanulares V Bndas trianulares y en diente de sierra. V Pulsos y (lancos o escalones. 1'.; <=ue es periodo> Es el tiempo transcurrido entre dos puntos eui,alentes de la onda.
@ibliograf3a Mediciones léctricas *ndustriales % Enr0ue) Iarper% ed. +A/S8% 1$$4% 1ra edición *ntroducción a las Mediciones léctricas % ;odr0ue) Pedro% Wiblioteca Electrónica. *nstrumentos y Mediciones léctricas % Aarcelo 8ntonio Sobre,ila% ed. 8lsina% 2&13% 1ra edición. Mediciones y Pruebas léctricas y lectrónicas % U. Wolton% ed. A8;CBAWB% 1$$5. Mediciones y Presupuestos % #ernando 'alderrama% ed. ;E'E;E. *nstrumentos léctricos % Enr0ue) Iarper% ed. +A/S8% 1$$4% 1ra edición. Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas6 U. Wolton% ed. 8l(aomea. Principios de mediciones e instrumentación % 8lan S. Aorris. Ed. Pearson educación. *nstrumentación electrónica6 Enriue Aandado% Per(ecto Aari*o. Ed. 8l(aomea. 4undamentos de Metrolog3a eléctrica. 8ndres A. Xarc) omo % Ed.Woixarereu. *nstrumentación electrónica moderna y técnicas de medición % Cooper Uilliam Fa,id% Iel(ric 8lbert. Ed. Prentice may. Metrolog3a% Carlos on)ale) on)ale)% ;amón Yeleny 'a)ue). Ed. Ac ra@ Iill% seunda edición.
