Puentes de medición DC

3.1

           PUENTES DE MEDICIÓN DC

Estos puentes se caracterizan porque la fuente de alimentación es de corriente continua, por ejemplo una batería de pilas y los brazos están construidos exclusivamente por resistencias. Se utilizan exclusivamente para la medida de resistencias.

Puente de Wheatstone

Los procedimientos de medición denominados puentes de medida, son los de máxima precisión y, por lo tanto, los mas empleados en laboratorios de medida y cuando se requiere una elevada exactitud.

En estos procedimientos, se determina el valor de la magnitud buscada mediante la comparación de la misma con los valores de patrones regulables de resistencias, reactancias, etc. La comparación resultara valida cuando el aparato indicador indique cero en una determinada rama del circuito de medida.

Los valores obtenidos con estos procedimientos no están afectados por los errores ni por la calibración del aparato indicador. La exactitud depende  exclusivamente de la sensibilidad del galvanómetro o de cualquier otro aparato que se utilice. La exactitud de la medida también es independiente del valor de la tensión utilizada para la medida.

El puente de Wheatstone se muestra en la figura a continuación y está constituido por cuatro resistencias, R1, R2, R3 y R4, de las cuales una de ellas es desconocida, y su valor debe determinarse.

Donde R4=(R1R3)/R2

El estado de equilibrio del puente se consigue cuando la diferencia de voltajes entre los puntos A y B es cero.

La ventaja principal de este procedimiento es que la relación entre las resistencias es siempre la misma cuando no pasa corriente por el galvanómetro, con independencia del valor de la intensidad de corriente, lo que quiere decir no sólo que este valor puede ser cualquiera, sino que puede variar durante la medición, sin influir para nada en el resultado. De aquí se deduce que, como fuentes de alimentación pueden emplearse pilas secas cualesquiera, de valor no necesariamente constante.

La operación de medición se reduce, por lo tanto, a variar los valores de las resistencias conocidas R1, R2, R3, hasta obtener el estado de equilibrio del puente.

Puente de Kelvin

El puente de Kelvin es una modificación del Wheatstone y proporciona un gran incremento en la exactitud de las mediciones de resistencias de valor bajo, por lo general inferiores a 1Ohmio. Considérese el circuito puente de la figura a continuación

donde Ry representa la resistencia del alambre de conexión de R3 a R4. Son posibles dos conexiones del galvanómetro, en el punto m o en el n. Cuando el galvanómetro se conecta en el punto m, la resistencia Ry del alambre de conexión de suma a la desconocida R4, resultando una indicación por arriba de R3. Cuando la conexión se hace en el punto n, Ry se suma a la rama del puente R3 y el resultado de la medición de R4 será menos que el que deberia ser, porque el valor real de R3 es más alto que su valor nominal debido a la resistencia Ry. Si el galvanómetro se conecta en el punto intermedio entre n y m, de tal forma que la razón de la resistencia del punto medio a n y m iguale la razón de los resistores R3 y R4, entonces esta relación va a ser igual a la relación de R1 con R2.

El valor de R4 va a estar dado por

R4=R1R3/R2

La ecuación anterior es la ecuación de equilibrio desarrollada para el puente de Wheatstone e indica que el efecto de la resistencia del alambre de conexión del punto m al punto n se elimina conectando el galvanómetro entre estos dos punto con la mayor exactitud posible. Esta es la base para la contrucción del puente de doble Kelvin, conocido como puente de Kelvin.

Puente doble Kelvin

El término puente doble se usa debido a que el circuito contiene un segundo juego de ramas de relación:

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 A sea igual al potencial en p.

El valor de Rx esta dado por:

Rx=R1R3/R2

La ecuación anterior es la ecuación de trabajo para el puente de Kelvin. Indica que la resistencia Ry no tiene efecto en la medición, siempre y cuando los dos conjuntos de ramas de relación tengan igual relación de resistencias.

El puente Kelvin se utiliza para medir resistencias muy bajas, de aproximadamente 1Ohmio hasta 0.00001Ohmio. El siguiente circuito muestra el diagrama del circuito simplificado de un puente de Kelvin comercial que mide resistencias de 10Ohmios a 0.00001Ohmios. En este puente, la resistencia R3 de la ecuación anterior, se representa por una resistencia patrón variable en la misma figura.

La relación R1/R2 se debe seleccionar de tal forma que una parte relativamente alta de la resistencia patrón se use en el circuito de medición. En esta forma el valor de la resistencia desconocida Rx se determina con el mayor número posible de cifras significativas, y mejora la exactitud de la medición.

         

Instrumentos de medición

4.

          INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Medir es comparar una cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad. Al resultado de medir lo llamado Medida y da como producto un número que es la relación entre el objeto a medir y la unidad de referencia. O sea que estamos comparando la cantidad que queremos determinar con una unidad de medida establecida de algún sistema, por ejemplo cierta longitud comparada con cuantos milímetros equivale, una determinada corriente eléctrica con cuantos amperios, cierto peso con cuantos gramos, etc.

Cuando medimos algo se debe hacer con gran cuidado, para evitar alterar el sistema que observamos, teniendo en cuenta que las medidas se realizan con algún tipo de error debido a imperfecciones del instrumento o a limitaciones del medio, errores experimentales, etc.

Se denominan instrumentos de medidas de electricidad a todos los dispositivos que se utilizan para medir las magnitudes eléctricas y asegurar así el buen funcionamiento de las instalaciones y máquinas eléctricas. La mayoría son aparatos portátiles de mano y se utilizan para el montaje; hay otros instrumentos que son conversores de medida y otros métodos de ayuda a la medición, el análisis y la revisión. La obtención de datos cobra cada vez más importancia en el ámbito industrial, profesional y privado. Se demandan, sobre todo, instrumentos de medida prácticos, que operen de un modo rápido y preciso y que ofrezcan resultados durante la medición.

La importancia de los instrumentos eléctricos de medición es incalculable, ya que mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. Además que permiten localizar las causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, como es bien sabido, no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico.

Las mediciones eléctricas se realizan con aparatos especialmente diseñados según la naturaleza de la corriente; es decir, si es alterna, continua o pulsante. Los instrumentos se clasifican por los parámetros de voltaje, tensión e intensidad. Dichos instrumentos nos ayudan a mantener a circuitos y equipos en un óptimo funcionamiento basándonos en ecuaciones y comparaciones en lo que respecta al flujo de electricidad.

Al patrón utilizado para medir le llamamos también Unidad de medida. Debe cumplir las siguientes condiciones:

a. Ser inalterable, esto es, no ha de cambian con el tiempo ni en función de quién realice la medida.

b. Ser universal, es decir utilizada por todos los países.

3. Ha de se fácilmente reproducible.

Reuniendo las unidades patrón que los científicos han sido estimado más convenientes, se han creado los denominados Sistemas de Unidades.

Amplificador de instrumentación

3.3

       AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

El amplificador de instrumentación es una amplificador diferencian tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla un bloque funcional que ofrece caracteristícas funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere:

a. Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.

b. Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

A los amplificadores de instrumentación se les requiere las siguientes características:

1. Son amplificadores diferenciales con ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.

2. Su ganancia diferencial se controla mediante un único elemento analógico (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3. Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto és, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

4. Una impedancia muy alta para que se ganancia no se ve afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

5. Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a la salida.

6. Bajo nivel de tensión de offset del amplificador y baja derivada en el tiempo con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.

7. Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.

8. Un factor de ruido muy próximo a la unidad, esto es, que no incremente con el ruido.

9. Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.

El amplificador diferencial básico es un amplificador de instrumentación de muy bajas prestaciones, porque:

a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial, manteniendo la ganancia en modo de común nula.

b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. El CMRRtotal del circuito se degrada por dos cosas:

     -El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito.

     - Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relación R1R4=R3R2

c) La impedancia de entrada es muy baja

d) La anchura de banda es baja si la ganancia diferencial es alta BW=aft=fr/(Ad+1)

Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollados para ser utilizados en sistemas de instrumentación en los que las características de operación son críticas. Las características de los amplificadores de instrumentación pueden optimizarse si se diseñan como circuitos integrados, ya que en este caso, el fabricante puede garantizar el diseño de los elementos críticos, haciendo que tengan valores precisos y que las relaciones entre las características de elementos emparejados tengan razones muy exactas, justo tal como se requieren en su diseño.

La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a costa de limitar su flexibilidad. Son amplificadores que han sido diseñados para ser utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello, proporcionan unas características excepcionalmente buenas, y además pueden utilizarse sin necesidad de conocer con detalle su diseño interno y con sólo interpretar su especificación externa.

El siguiente enlace nos muestra el voltaje de salida y la ganancia modificando las resistencias internas del circuito.

http://www.huarpe.com/electronica/ao1/html/instrumentacion.html 

Puentes de medición AC

3.2

        PUENTES DE MEDICIÓN EN AC

El puente de CA es una consecuencia del puente en CD y su forma básica consiste en un puente de cuatro ramas, una fuente de excitación y un detector de cero. La fuente de potencia suministra un voltaje de CA al puente con la frecuencia deseada. Para mediciones a bajas frecuencias, la linea de potencia puede servir como fuente de excitación; a altas frecuencias, generalmente un oscilador es el que suministra el voltaje de excitación.

La forma general de un puente de CA se presenta con la figura anterior. Las cuatro ramas del puente Z1, Z2, Z3 y Z4 se indican como impedancias sin especificar. Como en el caso del puente de Wheatstone para mediciones CD, el equilibrio en este puente de CA se alcanza cuando la respuesta del detector es cero o indica corriente nula. El ajuste para obtener una respuesta nula se hace variando una o más ramas del puente.

La ecuación general para el equilibrio del puente se obtiene utilizando la notación compleja para las impedancias del circuito del puente y es la siguiente:

I1Z1=I2Z2

Puente de Maxwell

El puente de Maxwell se utiliza para medir una inductancia desconocida en términos de una capacitancia conocida. Una de las ramas de relación tiene una resistencia y una capacitancia en paralelo; ahora se puede probar que es más fácil escribir las ecuaciones de balance usando la admitancia de la rama 1 en vez de su impedancia.

El ajuste de la ecuación general para el equilibrio del puente, también se puede expresar de la siguiente forma:

Zx= Z2Z3Y1

donde Y1 es la admitancia de la rama 1. 

Z2=R2    Z3=R3       Y1=1/R1 + jwC1

Zx= R2R3/R1

Lx=R2R3C1

donde la resistencias se expresan en ohms, las inductancias en henrios y las capacitancias en faradios.

El puente de Maxwell se limita a la medición de bobinas de Q medio (1<Q<10).

El procedimiento normal para equilibrar el puente de Mawxell es ajustar primero R3 para el equilibrio inductivo y luego ajustar R1 para el resistivo. Después al volver al ajuste de R3 se advierte que el equilibrio resistivo se ha modificado hacia un nuevo valor. Este proceso se repite y da una convergencia lenta hacia el equilibrio final. Para bobinas de Q medio, el efecto de la resistencia no es pronunciado y el equilibrio se alcanza después de pocos ajustes.

Puente de Hay

El puente de Hay difiere del de Maxwell porque tiene una resistencia R1 en serie con el capacitor patrón C1 y no en paralelo. Es evidente que para ángulos de fase grandes, R1 debe tener un valor muy bajo; por consiguiente, el puente de Hay es más conveniente para mediciones de bobinas de Q alto.

Las ecuaciones de equilibrio se derivan de la sustitución de los valores de las impedancias de las ramas del puente en la ecuación general para el equilibrio del puente.

Rx=((wC1)^2)R1R2R3/(1+(wC1R1)^2)

Lx=R2R3C1/(1+(wC1R1)^2)

Ambas expresiones para la inductancia y resistencia desconocidas contienen la velocidad angular w, y por tanto, se requiere que la frecuencia de la fuente de voltaje se deba conocer con exactitud.

Lx=R2R3C1

Puente de Schering

El puente de Schering, uno de los más importantes puente de CA, se usa ampliamente para la medición de capacitores. Aunque se utiliza para la medición de capacitancias en sentido general, es particularmente útil para la medición de algunas propiedades de aislamiento, como ángulos de fase muy cercanos a los 90°.

Las condiciones de equilibrio requieren que la suma de los ángulos de fase de las ramas 1 y 4 sea igual a la suma de los ángulos de fase de las ramas 2 y 3. Puesto que el capacitor patrón está en la rama 3, la suma de los ángulos de fase de las ramas 2 y 3 será 0° + 90° = 90°.

Las ecuaciónes de equilibrio se derivan como es habitual; por la sustitución de los valores correspondientes de impedancia y admitancia en la ecuación general, se obtiene

Zx=Z2Z3Y1

Rx=R2C1/C3

Cx=C3R1/R2

El factor de potencia(PF) de una combinación serie RC se define por el coseno del ángulo de fase del circuito. Por consiguiente, el PF de la impedancia desconocida es PF=Rx/Zx

PF=Rx/Zx=wCxRx

El factor de disipación de un circuito RC se define como la cotangente del ángulo de fase y, por tanto, será 

D=Rx/Zx=wCxRx

Circuitos para mediciones

Capitulo 3  

              CIRCUITOS PARA MEDICIONES

Los circuitos para mediciones en la electrónica  son de gran importancia porque ayudan a conocer el valor de un elemento electrónico desconocido en termino de otros elementos ya conocidos.

Tienen gran trascendencia en la electrónica, ya que han ayudado en muchas de las aplicaciones de la instrumentación electrónica, y han sido objeto de investigación debido a que podrían ser una herramienta útil en muchos mas campos de la electrónica.