Investigación Instrumentación: Medición, Circuitos y Teoremas

INVESTIGACION
Instrumentación
UASLP
Facultad de Ciencias
ANA YARITZA CASTILLO REYES
[email protected]
Contenido
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Medición y error con respecto a aparatos de medición
Magnitudes eléctricas
Concepto de la corriente eléctrica y voltaje
Diagrama de bloques de un aparato de medición
Definición de Conductancia eléctrica
Definición de circuito eléctrico
Estructura interna y tipos de condensadores
Definición de inducción
Concepto teórico de los teoremas Thévenin y Norton y un ejercicio básico de
cada uno
10. Diagrama de cuadros de un osciloscopio
Desarrollo
1. Medición y error con respecto a aparatos de medición
Al medir y comparar el valor verdadero o exacto de una magnitud y el valor obtenido siempre
habrá una diferencia llamada error. Por lo tanto, al no existir una medición exacta debemos
procurar reducir al mínimo el error, empleando técnicas adecuadas y aparatos o instrumentos
cuya precisión nos permitan obtener resultados satisfactorios.
Una forma de reducir la magnitud del error es repetir el mayor número de veces posible la
medición, pues el promedio de las mediciones resultara más confiable que cualquiera de ellas.
Estos errores se dividen en dos clases sistemático y circunstancial, estos errores se presentan
de manera constante a través de un conjunto de lecturas realizadas al hacer la medición de una
magnitud determinada.
TIPOS DE ERRORES EN LA MEDICIÓN.
1. Error absoluto: es la diferencia entre la medición y el valor promedio.
2. Error relativo: es el cociente entre el error absoluto y el valor promedio. (Se expresa en
valores absolutos sin importar el signo del error absoluto).
3. Error porcentual: es el error relativo multiplicado por cien, con lo cual queda expresado en
por ciento
4. Errores instrumentales (de aparatos); por ejemplo, el error de calibrado de los
instrumentos.
5. Error personal: Este es, en general, difícil de determinar y es debido a las limitaciones de
carácter personal. Como, por ejemplo, los errores de paralaje, o los problemas de tipo
visual.
6. Errores de método de medida: que corresponden a una elección inadecuada del método
de medida.
CONCEPTOS DE EXACTITUD, PRECISIÓN Y SENSIBILIDAD
La exactitud se define como el grado de concordancia entre el valor “verdadero” y el experimental.
De manera que un aparato es exacto si las medidas realizadas con él son todas muy próximas al
valor “verdadero” de la magnitud medida.
La precisión hace referencia a la concordancia entre las medidas de
una misma magnitud realizadas en condiciones sensiblemente
iguales. De modo que, un aparato será preciso cuando la diferencia
entre diferentes mediciones de una misma magnitud sea muy
pequeña.
La sensibilidad de un aparato está relacionada con el valor mínimo
de la magnitud que es capaz de medir.
2. Magnitudes eléctricas
3. Concepto de la corriente eléctrica y voltaje
Se llama corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material conductor, debido al
desplazamiento de los electrones que orbitan el núcleo de los átomos que componen al conductor.
Tipos
i.
ii.
iii.
iv.
Corriente continua (CC): También llamada corriente directa (CD), consiste en un flujo de
cargas eléctricas que no cambia su sentido en el tiempo.
Corriente alterna (CA). A diferencia de la continua, se trata de una corriente eléctrica cuyo
sentido y dirección varía cíclicamente.
Corriente trifásica. La corriente trifásica es la forma de electricidad más comúnmente
generada y consiste en tres corrientes alternas de idéntica frecuencia y amplitud, dadas en
un orden determinado y llamadas fases.
Corriente monofásica. Se obtiene tomando una sola fase de la corriente trifásica y un cable
neutro, lo cual permite aprovechar la transmisión de energía en una tensión baja.
El voltaje es la magnitud que da cuenta de la diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos
determinados. También llamado diferencia de potencial o tensión eléctricos, es el trabajo por
unidad de carga eléctrica que ejerce sobre una partícula un campo eléctrico, para lograr moverla
entre dos puntos determinados.
Tipos
i.
ii.
iii.
iv.
Voltaje inducido: fuerza electromotriz o voltaje inducido necesario para generar energía
eléctrica dentro de un circuito, es decir, para generar una diferencia de potencial.
Voltaje alterno: Se representa por las letras VA, con valores positivos y negativos en un eje
cartesiano, dado que se considera una onda sinusoidal.
Voltaje de corriente directa: se obtiene de la transformación de la corriente alterna en
corriente más o menos continua, con pequeñas crestas, mediante fusibles y
transformadores.
Voltaje continuo: También llamado voltaje de corriente continua (VCC), se trata de la
corriente más pura que hay, presente en chips, microprocesadores y otros artefactos que
requieren de voltajes continuos y constantes.
4. Diagrama de bloques de un aparato de medición
Los Diagramas de Bloques son representaciones que permiten desarrollar esquemas para
comprender más fácilmente las operaciones de control en el sistema, representando
pictóricamente la función de cada elemento físico de dicho sistema.
Un sistema de control puede estar compuesto por numerosos mecanismos eléctricos
(resistencias, inductancias, capacitores), electrónicos (amplificadores, controladores),
electromecánicos (motores, generadores).
5. Definición de Conductancia eléctrica
Se denomina conductancia eléctrica (símbolo G) a la facilidad que ofrece un material al paso de la
corriente eléctrica, es decir, que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica.
Se mide en siemens (S). No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual
las cargas fluyen, o con conductividad, que es la conductancia específica de un material.
La conductancia está directamente relacionada con la facilidad que ofrece
un material cualquiera al paso de la corriente eléctrica. Es lo opuesto a la
resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, por
lo que ambas son inversamente proporcionales.
6. Definición de circuito eléctrico
Los circuitos eléctricos se pueden definir como un conjunto de operadores unidos de tal forma que
permiten el paso o la circulación de la corriente eléctrica (electrones) con objeto de producir algún
efecto útil (luz, calor, movimiento, etc.).
Tipos
Según el tipo de señal:
Corriente Directa o Continua (CD o CC): Se caracterizan por el flujo continuo de electricidad.
Corriente Alterna (CA): Estos circuitos eléctricos varían su flujo de energía cambiando el sentido en
el que viaja la electricidad.
Según el tipo de configuración, los circuitos eléctricos se clasifican en:
Circuito en Serie: los receptores se unen de un lado a otro, por lo que todos los receptores pueden
integrarse secuencialmente; de esta forma, si se desconecta alguno de los receptores los siguientes
dejarán de funcionar.
Circuito en Paralelo: En este tipo de circuitos se entrelazan los receptores: por un lado, todas las
entradas y por el otro todas las salidas.
Mixto: Circuitos eléctricos que unen mecanismos en serie y paralelo. En este tipo de circuitos
eléctricos hay que juntar los receptores en serie y en paralelo para calcularlos.
A partir del tipo de régimen:
Corriente periódica: Mecanismo con un flujo de cargas eléctricas de valores distintos que repiten
un patrón constante.
Corriente transitoria: genera un flujo de carga que puede presentar dos tendencias: por un lado,
puede extinguirse, porque la fuente que las produce cesa, por el otro estabilizarse en un valor
constante, tras un periodo de oscilación.
Corriente permanente: el flujo de cargas llega a un valor máximo que no varía. Puede soportar al
conductor, perdurando así en distintas condiciones.
7. Estructura interna y tipos de condensadores
Es un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Está formado por dos
armaduras metálicas paralelas (generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico.
Tipos
1. Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en electrólito.
2. Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima película de óxido
de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor.
3. De poliéster metalizado MKT. Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de
trabajo a partir de 63v.
4. De poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de fabricación algo
diferente.
5. De poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma normal, sin
aplastar.
6. Cerámico «de lenteja» o «de disco». Son los cerámicos más corrientes. Sus valores de
capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF.
7. Cerámico «de tubo». Sus valores de capacidad son del orden de los picofaradios y
generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica que tienen.
8. Definición de inducción
La inducción eléctrica es la generación de electricidad como reacción (o mediante, o gracias a..) a
otra cosa. La forma más común de generar corriente eléctrica es mediante la inducción
electromagnética.
En su sentido más amplio, inducción es la incitación o instigación para que alguien haga algo,
despliegue una determinada acción.
9. Concepto teórico de los teoremas Thévenin y Norton y un ejercicio básico de
cada uno
TEOREMA DE THEVENIN
Establece que cualquier circuito compuesto de elementos lineales puede simplificarse a una sola
fuente de voltaje y una resistencia en serie
Corriente Directa DC
Establece que cualquier red lineal (con dos fuentes independientes) puede ser
reemplazada respecto a dos terminales A y B por un circuito equivalente que conste
de una fuente de voltaje (VTh ) conectada en serie con una resistencia (RTh ).
Cálculo de la tensión de Thévenin
Se desconecta la carga (es decir, la resistencia de la carga o RL ) y se calcula VAB . Al desconectar la
carga, la intensidad que atraviesa RTh en el circuito equivalente es nula y por tanto la tensión
de RTh también es nula. Por lo que ahora VAB = VTh por la segunda ley de Kirchhoff.
Cálculo de resistencia de Thévenin
Se desconecta la resistencia de carga, se cortocircuitan las fuentes de tensión y se abren las fuentes
de corriente. Se calcula la resistencia que se ve desde los terminales AB y esa resistencia RAB es la
resistencia de Thevenin buscada.
Corriente Alterna AC
Establece que en un circuito con dos terminales se puede sustituir por otro sencillo que
consta de un generador de corriente alterna (VTh ) y una impedancia en serie (ZTh ).
Para calcular el voltaje se sigue lo mismo que en corriente directa.
Cálculo de la impedancia de Thévenin
Se desconecta la resistencia de carga, se cortocircuitan las fuentes de voltaje y se abren las fuentes de
corriente. Se calcula la impedancia que se ve desde los terminales AB y esa impedancia ZAB es la
impedancia de Thévenin buscada.
1.- Encuentre el equivalente de Thévenin del siguiente circuito.
1- Se calcula el voltaje entre los terminales A y B de la carga; para ello,
se desconecta RL del circuito (queda un circuito abierto entre A y B). Una
vez hecho esto, se puede observar que la resistencia de 10 Ω está en
circuito abierto y no circula corriente a través de ella, con lo que no
produce ninguna caída de tensión.
El circuito que se necesita estudiar para calcular la tensión de Thévenin está formado únicamente por
la fuente de tensión de 100 V en serie con dos resistencias, una de 20 Ω y otra de 5 Ω. Como la carga
RL está en paralelo con la resistencia de 5 Ω, la diferencia de potencial entre los terminales A y B es
igual que la tensión que cae en la resistencia de 5 Ω.
2. Ahora se debe calcular la resistencia de Thévenin, para ello se
desconecta la carga RL del circuito y se anula la fuente de tensión
sustituyéndola por un cortocircuito. Por lo tanto, se halla la equivalente
a las tres resistencias: las resistencias de 20 Ω y 5 Ω están conectadas
en paralelo y estas están conectadas en serie con la resistencia de 10
Ω, entonces:
Por lo tanto, se halla la equivalente a las tres resistencias: las
resistencias de 20 Ω y 5 Ω están conectadas en paralelo y estas están
conectadas en serie con la resistencia de 10 Ω, entonces:
3-Finalmente se redibuja el circuito sustituyendo todo con el
equivalente Thévenin (VTh y RTh ); recordando que la fuente de tensión
(voltaje de Thévenin) debe estar conectada en serie con la resistencia
antes calculada (resistencia de Thévenin). Entonces, el circuito
equivalente consiste en una fuente de tensión de 20V en serie con una
resistencia de 14Ω.
TEOREMA DE NORTON
Es el mismo que el de Thévenin, excepto que la fuente de voltaje y la resistencia en serie se
reemplazan por una fuente de corriente y resistencia paralela
Corriente Directa DC
En corriente directa, el teorema de Norton establece que cualquier red de corriente
directa lineal bilateral de dos terminales puede ser reemplazada por un circuito
equivalente que consista de una fuente de corriente (IN ) y una resistencia en
paralelo (RN ).
Cálculo de la corriente de Norton
Se calcula la corriente de salida, IAB , cuando se cortocircuita la salida, es decir, cuando se pone una
carga (tensión) nula entre A y B. Al colocar un cortocircuito entre A y B toda la intensidad IN circula
por la rama AB, por lo que ahora IAB es igual a IN .
Cálculo de la resistencia de Norton
Se calcula la tensión de salida, VAB , cuando no se conecta ninguna carga externa, es decir, cuando se
pone una resistencia infinita entre A y B. RN es ahora igual a VAB dividido entre IN porque toda la
intensidad IN ahora circula a través de RN y las tensiones de ambas ramas tienen que coincidir.
Corriente Alterna AC
En corriente alterna, el teorema de Norton establece que cualquier
circuito lineal se puede sustituir por una fuente equivalente de
corriente (IN ) en paralelo con una impedancia equivalente (ZN ).
Cálculo de la impedancia de Norton
Se calcula la tensión de salida, VAB , cuando no se conecta ninguna carga externa, es decir, cuando se
pone una resistencia infinita entre A y B. ZN es ahora igual a VAB dividido entre IN porque toda la
intensidad IN ahora circula a través de ZN y las tensiones de ambas ramas tienen que coincidir.
1.- Encontrar el equivalente de Norton del siguiente
circuito.
1. Se calcula la corriente de Norton entre los terminales A y B de la carga;
para ello, se desconecta RL del circuito (queda un circuito abierto entre A
y B). Una vez hecho esto, se procede a obtener la intensidad total que
viene dada por:
2. Se desconecta la carga RL del circuito y se anula la fuente de voltaje
sustituyendola por un cortocircuito. Por lo tanto, se halla la equivalente a las
cuatro resistencias: las resistencias centrales de 1kΩ están conectadas en
serie, éstas a su vez están conectadas en paralelo con la resistencia de 2kΩ
para finalmente estar conectadas en serie con la resistencia de 1kΩ que se
encuentra del lado derecho, entonces:
3. Finalmente se redibuja el circuito sustituyendo todo con el equivalente
Norton (IN y RN ); recordando que la fuente de corriente (corriente de Norton)
debe estar conectada en paralelo con la resistencia antes calculada
(resistencia de Norton). Por lo tanto, el circuito equivalente consiste en una
fuente de intensidad de 3.75mA en paralelo con una resistencia de 2 kΩ.
10. Diagrama de cuadros de un osciloscopio
Fuentes de información
https://www.uaeh.edu.mx/scige/boletin/prepa3/n7/m4.html
https://www.ugr.es/~andyk/Docencia/TEB/Errores.pdf
http://www.ieslosalbares.es/tecnologia/Electricidad%20II/magnitudes_elctricas.html
https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448177894.pdf
https://concepto.de/voltaje/
https://concepto.de/corriente-electrica/
https://dademuch.com/2018/02/10/diagrama-de-bloques-ingenieria-de-control/
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_conductancia/ke_conduct_1.htm
https://es.linkfang.org/wiki/Conductancia_eléctrica
https://aprende.com/blog/oficios/instalaciones-electricas/como-funciona-un-circuito-electrico/
https://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/ecoblog/jgutcor/los-condensadores/
https://mielectronicafacil.com/analisis-de-circuitos/teorema-de-thevenin-y-norton/#theveninejercicios-resueltos-paso-a-paso