1. Introducción Metrología y Transductores F. Hugo Ramírez Leyva Cubículo 3 Instituto de Electrónica y Mecatrónica

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1 1 1. Introducción Metrología y Transductores F. Hugo Ramírez Leyva Cubículo 3 Instituto de Electrónica y Mecatrónica hugo@mixteco.utm.mx Octubre Contenido del curso 1. Sistemas de Unidades de Medición Unidades fundamentales y derivadas Sistemas de unidades Unidades eléctricas y magnéticas Sistema internacional de unidades y conversiones de unidades 2. Patrones de Medición Clasificación Patrones fundamentales Patrones para unidades derivadas Patrones eléctricos Patrones IEEE 3. Medición y Error Definiciones Exactitud y precisión Cifras significativas Tipos de error Análisis Estadístico Probabilidad de errores 4. Mediciones con puentes Introducción Puente de Wheatstone Puente Kelvin Puente de Wheatstone con protección Puentes de c.a. y sus aplicaciones Puente de Maxwell Puente de Hay Puente de Schering Puente de Wien Conexión a tierra Wagner 3 Contenido del curso 5. Transductores Clasificación Selección Galgas extensiométricas Transductores de desplazamiento Mediciones de temperatura 6. Amplificadores Operacionales Clasificación Características básicas Detectores de nivel de voltaje Amplificador inversor Amplificador no-inversor Comparadores y circuitos de control Algunas aplicaciones de los Amp. Op. 7. Amplificadores Diferenciales, de Instrumentación y Puente Amplificadores Diferenciales, de Instrumentación y Puente Amplificador diferencial básico Mejoras en el amp. diferencial básico Amplificador de instrumentación Amplificador básico de puente 4 Contenido del curso 8. Circuitos Integrados Temporizadores Modos de operación del temporizador 555 Terminales del 555 Operación en oscilación libre o estable Operación monoestable o de un disparo 9. Circuitos Integrados Temporizadores Convertidores Digital a Analógico y Analógico a Digital Características de los DAC y ADC Proceso de Conversión Digital a Analógica Salida de voltaje del DAC DAC multiplicador DAC-08, convertidor de 8 bits Convertidores integradores analógico a digital por aproximaciones sucesivas Convertidores flash o paralelos Calificación Tres Parciales Programas a usar Exámenes 50% Proteus Tareas 10% Excel Prácticas 40% LabVIEW Entrega 50% Reporte 50% Proyecto Entrega física 50% Reporte 50% Redondeo Toda calificación superior a 0.5 se redondea el entero superior Página del curso Bibliografía S Tumanski, Principles of Electrical Measurement, Taylor & Francis Group, 2006 Robert F. Coughlin, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, 2000 William D. Cooper & Albert D. Helfrick, Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición, Prentice - Hall,

2 Contenido de un Reporte Portada Introducción En esta parte del documento se expone en forma clara y concreta, la teoría básica de lo que va a tratar el documento. Por ejemplo si se va a realizar un robot manipulador, se describe, Qué es un robot manipulador?, Qué hace?, De que esta compuesto?, etc. No debe ser mayor a 2 hojas, ni menor a ½ página. La información que aquí pongan, puede provenir de artículos de revistas, páginas de Internet y libros. Al final del capítulo, en la parte de bibliografía, pondrán las ligas de las páginas de Internet, o los libros de donde tomaron la información. Debe de tener una secuencia clara, no se admite que solo se CORTAR y PEGAR. Objetivos En esta parte del documento se describen los objetivos que pretenden cubrir en el documento. Se pueden dividir por objetivos generales (que se ponen primero) y objetivos específicos (que van después). Contenido de un Reporte Descripción del sistema Aquí ponen la estructura del sistema que van a desarrollar o están desarrollando. Se pueden ayudar de diagrama a bloques, diagramas esquemáticos, etc. Resultados En esta parte del documento discuten los resultados que hayan obtenido, de lo que se ha tratado en el documento. Conclusiones. En las conclusiones se resaltan los puntos más importantes que se obtuvieron al realizar el trabajo. También se discuten los principales problemas que tuvieron que resolver y la forma en que fueron resueltos. Al final se discuten los posibles trabajos que faltan por realizar para mejorar el trabajo expuesto en el documento. 7 8 Contenido de un Reporte 7. Bibliografía En la bibliografía se enumeran todos los documentos que fueron consultados para realizar el trabajo, como son hojas de datos de dispositivos, páginas de Internet, libros, etc. Se usa una numeración consecutiva de las fuentes consultadas. En términos generales, el formato es: Para libros: [1] Autor o autores, Titulo del libro, Editorial, edición, año. Para artículos: [2] Autor o autores, Titulo del artículo, Nombre de la revista, congreso o memorias, Año Para páginas de Internet [http1] Nombre de la página, Dirección electrónica, fecha del último acceso. Introducción 9 10 Introducción Introducción nova/robots-galegos-con-software-libre/

3 Presentación de las Mediciones (Analógico) Presentación de las Mediciones (Digitales) Presentación de las Mediciones (Gráfica) Grafícadores Metrología La metrología es la ciencia de las mediciones. Es la base para el desarrollo científico y tecnológico de la civilización. Esta en constante evolución. Se clasifica en : La metrología legal tiene como función, la de establecer el cumplimiento de la legislación metrológica oficial. La metrología científica busca la materialización de los patrones internacionales de forma más fácil o nuevas. También participa en la elaboración de normas Metrología Industrial da servicio de calibración de patrones y equipos a la industria y el comercio. La rastreabilidad (trazabilidad) es la desviación que existe entre los diferentes patrones, desde la definición, el patrón primario hasta el industrial Metrología Se puede dividir de acuerdo al tipo y técnica de medición en: Metrología Geométrica Metrología Eléctrica Metrología térmica Metrología química La normalización y el control de calidad tienen sus bases en la metrología. Se necesita tener reglas precisas para la generación de productos de calidad que brinde al usuario la seguridad y el servicio para el cual fueron diseñados. El control de calidad es importante en los sistemas de producción en serie. Usa métodos estadísticos para el análisis y el control de procesos. Unidades Fundamentales y derivadas Las cantidades físicas deben de ser definidas tanto en clase como magnitud. La medida estándar de cada clase de cantidad física es la unidad. Cantidad física Magnitud Unidad Metro Magnitud 10 Existen 2 tipos de unidades en ingeniería: Unidades fundamentales: Longitud, masa, tiempo, calor, electricidad, intensidad luminosa y mol. Unidades derivadas. Son todas las unidades que se expresan en términos de unidades fundamentales. Fuerza, presión, caudal, flujo, etc

4 Sistema de Unidades Sistema de Unidades En 1790 el gobierno Francés ordenó a la academia de ciencias el proponer un sistema único de pesas y medidas. El sistema debería ser independiente de cosas hechas por el hombre Basarse en la naturaleza. Las definiciones originales de las unidades fundamentales son: El metro: La diezmillonésima parte de la distancia desde el polo al ecuador a lo largo del meridiano que pasa por parís. El gramo: La masa de 1cm 3 de agua destilada a 4 C, a 1 atm (atmosfera 760mm Hg). El segundo 1/86,400 del día solar medio. En 1960 se adoptó el sistema internacional (SI) de unidades, las unidades básicas que se definieron son: El metro m El ampere A El kilogramo kg Temperatura K El segundo s La intensidad luminosa, la candela (Cd) El mol mol Unidades Unidades Cantidad Unidad Abreviatura (siglas) Longitud Metro m Masa Kilogramo Kg Tiempo Segundo s Corriente Amperio A Temperatura Grado Kelvin K Cantidad de sustancia Mol mol Voltaje Voltio V (J/C) Resistencia Ohmio Ω (V/A) Capacitancia Faradio F (C/V = s 4 A 2 /(m 2 kg) ) Inductancia Henrio H Energía Julio J (N m = kg m 2 /s 2 ) Potencia Vatio W (J/s = V A) Frecuencia Hertz Hz (1/s) Cantidad Unidad Abreviatura (siglas) Carga Coulomb C (F V) Fuerza Newton N (m kg/s 2 ) Flujo magnético Weber Wb (V s= T m 2 ) Densidad de Tesla T (Wb/m 2 =kg/(s 2 A) ) flujo magnético Ángulo Sólido Estero radian Sr (rad 2 = m 2 /m 2 ) Flujo Luminosos Lumen lm (cd sr) Luminancia Lux lx (cd sr/m 2 ) Presión Pascal Pa (N/ m 2 ) Intensidad de campo V/m 2 eléctrico Organizaciones de Estándares Mediciones IEEE Intitute of Electrical and Electronics Engineer. Instituto de Ingenieros Eléctricos y electrónicos. Posee más de 800 estándares ANSI American Standard Institute Es el instituto que mantiene los estándares en estados unidos. ISO = Significa Igual. Es una federación internacional de más de 100 países. En México el que pone los estándares es el CENAM Sistema de Medida: Es un conjunto de uno o más instrumentos de medición y frecuentemente otros dispositivos, incluidos reactivos e insumos, ensamblados y adaptados para producir valores medidos de la magnitud en intervalos especificados para magnitudes de naturalezas especificadas. Instrumento de Medición: Instrumento para medir que produce una señal de salida que lleva información sobre el valor de la magnitud sujeta a medición, ejemplo un termómetro, una galga extensiométrica, un tubo de bourdon,etc

5 Calibración La relación entre la medición física de la variable de entrada y la señal variable (salida) en un sensor especifico se le llama calibración del sensor. La sensitividad del dispositivo esta determinado por la pendiente de la curva de calibración La sensibilidad es el mínimo cambio medible La saturación se llega cuando la salida ya no sigue a la entrada El rango dinámico es la diferencia entre el valor mínimo y máximo Precisión y exactitud La exactitud de un instrumento, es la diferencia entre el valor medido por el instrumento y el valor real. La precisión de un instrumento es la repetibilida de las mediciones Pasos para hacer una medición 1. Diseño del conjunto de mediciones (selección del equipo) 2. Operación inteligente del equipo de medición 3. Registro de los datos en forma clara 4. Estimación de la precisión de las mediciones y magnitud de los posibles errores causados 5. Preparación del informe Procesamiento de las mediciones Cifras significativas Son todos aquellos dígitos de un número que se conocen con seguridad El número de cifras significativas expresa la precisión de la medición Ejemplo: Métodos para expresar las cifras significativas Número completo. Potencia de 10. Rango y error Calculo con error Calculo con error 29 Redondeo. Si en un número existen más números que los que se conocen con certeza descartarlos. Si el último dígito es >5 +1 Si el último dígito es <4 No modificar Ejemplos: Adición y substracción No se debe conservar en el resultado, ningún dígito cuya posición con respecto al punto decimal está a la derecha del último digito significativo de cualquier número Ejemplos: Multiplicación o división Datos: y Se multiplican los extremos del que tenga mayor incertidumbre Diferencia Resultado Suma y resta, se suman las incertidumbres ± ± ±

6 Incertidumbre Es el intervalo en el cual la medición es incierta con respecto al valor que es casi seguro. Se divide en : Absoluta. Es la precisión con la que se conoce que trabaja el instrumento y se expresa como +.. Ejemplo: 10cm +0.05cm, su incertidumbre absoluta es +0.05cm Relativa. Es una comparación de la incertidumbre del instrumento con respecto al valor medido. Se define como: Ejemplo la incertidumbre relativa de 10cm +0.05cm es 0.5% Da una medida relativa de la calidad de la medición. Incertidumbre de cantidades calculadas. Incertidumbre absoluta 100% Valor medido Se parte de la premisa que la incertidumbre de la medición directa está en el valor correcto. Se desea tener el peor caso del valor calculado. Incertidumbre en una función de varias variables Método de Kline and Mc. Clintockde Sea una función de varias variables, cada una con su incertidumbre: Cada una de las variables tiene la incertidumbre La incertidumbre del resultado esta dada por: Ejemplos Potencia V=100V+2V, I=10A+0.2A. La potencia es P=1000W+28W, wr=2.83% La resistencia de cierto alambre de cobre esta dado por: Con: R0=6Ω+0.3%, es la resistencia a 20 C. Coeficiente de temperatura α=0.004 C % Temperatura T=30+1 C Resistencia nominal Incertidumbre Incertidumbres: ; ; Análisis Estadístico Generalmente siempre que se hacen mediciones se obtienen resultados diferentes. Es recomendable hacer un número grande de mediciones y con base en ellas encontrar el valor correcto. Formato de procesar la información. Histogramas La moda. Es el pico máximo del histograma. Puede tener 1 o más picos. La mediana. Es el valor central de todos los valores de la medición (Áreas iguales en ambas partes del histograma) Errores de medición Errores graves: Son debidos, principalmente, al ser humano. Por fallas humanas Uso inapropiado de los instrumentos Descuido o malos hábitos Instrumentos descalibrados Efectuar mas de una lectura de la misma cantidad por diferentes observadores y en diferentes condiciones Errores aleatorios: Sus orígenes no se pueden determinar directamente. Se deben a causas desconocidas y ocurren incluso cuando todos los errores sistemáticos se han considerado. Errores sistemáticos: Se deben a fallas en los instrumentos. Errores instrumentales don inherentes a los instrumentos de medición, a causa de su estructura electrónica o mecánica. Se pueden evitar por: La selección del instrumento adecuado. Aplicar los factores de corrección después de definir el error instrumental. Calibrar al instrumento con un patrón. Errores ambientales Se deben a las condiciones externas que afectan la operación del dispositivo de medición, incluyendo las condiciones del área circundante, como son: Temperatura, presión, humedad, campos magnéticos y eléctricos. Errores estáticos Se originan por las limitaciones de los dispositivos de medición. Errores dinámicos Se generan cuando el instrumento no responde con la suficiente rapidez a los cambios de la variable medida. Medidor de Tensión

7 Medidor de Tensión Medidor de Tensión Medidor Trifásico Medidor de Potencia y Calidad de la Energía José Manuel AvilaVazquez Medidor Trifásico Medidor Trifásico Medidor Trifásico

8 bajo el Protocolo de Comunicaciones MODBUS para Medidores Electrónicos de Energía Eléctrica Enmanuel Aparicio Velázquez

9 Control de un Motor Wilebaldo Martínez-Velazco, Felix Emilio Luis-Pérez, Fermín Hugo Ramírez-Leyva. Sistema de Identificación y Control del Servo Motor Amira para uso Didáctico Desarrollado en instrumentación Programable. VII Semana Nacional de Ingeniería Electrónica SENIE 11; 26 al 28 de Octubre 2011, Tapachula, Chiapas, México. ISBN Control de un Motor Control de un Motor Control de un Motor Control de Temperatura Control de Temperatura y Flujo de Aire por ciclos enteros de un Deshidratador Eléctrico con Base en Instrumentación Programable Julio César García Guillén

10 Control de Temperatura Control de Temperatura 150 Voltaje (Vrms), Potencia (W) Voltaje Potencia No de ciclos (n) Control de Temperatura Control de Temperatura