TP1 - Contrastacion de Instrumentos

  Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Córdoba

Ingeniería Electrónica 

 

        Medidas Electrónicas I.  Trabajo Práctico de Laboratorio Nº1: Contrastación de Instrumentos.                             

                Autores:    Alcázar, Diego.   Leg.: 52331  Gutiérrez, Diego.  Leg.: 57972  Nieto, Martín.   Leg.: 60788  Morini, Andrés.               Leg.: 57558    Curso 4R1    Medidas Electrónicas I.    

   

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Ingeniería Electrónica 

 

Objetivos:    Trazar la curva de contrastación de un instrumento a fines de eliminar el error sistemático del mismo  y verificar su Clase.    Materiales usados:    -Multímetro digital, en modo voltímetro de C.C. usado como patrón. ​ UNI-T UT58D  -Multímetro analógico, en modo voltímetro de C.C. usado como instrumento a contrastar. ​ UNIVO  Elektronik 8037  -Fuente de alimentación variable de 0 a 15V de C.C.       

Introducción    Los equipos o instrumentos de medición producidos en serie presentan cierta discrepancia entre la  graduación de sus escalas o diales y el valor verdadero de la magnitud que se mide. En general, esto se debe,  entre otros factores, a la tolerancia de los componentes del mismo instrumento y la propia respuesta del  instrumento. Por ello, los fabricantes usan métodos estadísticos para determinar el error o incertidumbre  promedio de una serie de instrumentos, y en base a estos datos se elaboran las ​ especificaciones de exactitud o  clase​ , que acompañan a cada instrumento.   En la gran mayoría de los casos, es posible reducir el error o incertidumbre total del instrumento,  mediante la corrección del mismo correspondiente a la parte debida al ​ error sistemático1. Para ello, se utiliza un  método conocido como, ​ método de contrastación individual​ , el mismo se basa primordialmente en el uso de  un ​ patrón de referencia​ . En adición, para que un determinado instrumento pueda ser considerado como  patrón de referencia de otro, según una norma genérica establecida, ​ su exactitud deberá ser por lo menos cinco  veces mejor que la del instrumento bajo prueba​ ; éste dato se encuentra en el manual del propio instrumento.  Por esta razón, en un laboratorio, suele ser habitual adjuntar a la documentación de cada instrumento de  medición, una ​ curva de contrastación​  contra un instrumento patrón, permitiendo minimizar el error  sistemático de la medición y de esta manera ajustar el valor de la magnitud medida por parte del operador.               

1

 son aquellos errores que en iguales condiciones de ensayo, afectan de igual modo todas las mediciones que se realizan. 

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¿Cómo elegimos un instrumento ​ “patrón”​ ?   

De manera práctica, se presentan los parámetros técnicos de cada instrumento empleado en la  experiencia. La fuente de alimentación posee un rango de 0 a 15Vcc, el voltímetro analógico a contrastar es  configurado a una escala de 30V (como fondo de escala, FE), dado que la anterior escala es de 10V, con una  clase C de 2,5, según puede visualizarse en el panel frontal del mismo. En tanto, al instrumento patrón o  voltímetro digital usado, tiene tiene 3½ cifras configurado en escala de 20V (FE), además, según el manual de  referencia, la incertidumbre del mismo es de ±(0,5% +1).    A continuación se calcula cual es el error máximo absoluto admisible, que se obtiene con el voltímetro  analógico:    * F E = 2,5 * 30[V ] =   ± 0, 75 V   ΔV l(max) = C100 100   como se mencionó anteriormente, la condición de instrumento patrón requiere que éste sea por lo menos  cinco veces mejor exactitud que la del instrumento contrastado, decimos que:    ΔV p(max) ≤

ΔV l(max) 5

≤

±0,75[V ] 5

≤   ± 0 , 1 5 V  

  Entonces, el error absoluto máximo que el instrumento patrón puede presentar debe ser:    ΔV p(max) ≤± 0 , 1 5 V   

  Como el voltímetro digital es empleado en rango de 20 V, el error absoluto máximo, de acuerdo al manual,  será:    ΔV p =

0,5*V lectura 100

+ 0 , 0 1 V  

  Dónde  V lectura , es la lectura de tensión que muestra el instrumento.      

         

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Procedimiento    La contrastación se efectuará según el circuito de la Figura 1: 

  Figura 1    Ajustando el valor de tensión de la fuente de manera tal, que la aguja del instrumento analógico se  nivele sobre cada una de las marcas correspondientes a las divisiones de su escala, y de manera simultánea,  tomar nota del valor indicado por el instrumento utilizado como patrón. Se hará una pasada hacia arriba (osea  desde 0V al valor máximo de la fuente) y una pasada hacia abajo (desde el valor máximo de la fuente hasta 0V).  Luego con estos datos relevados en la Tabla 1, se calcula el error absoluto del instrumento en ambas  pasadas sobre cada punto. En caso de no ser iguales, que suele ser lo más común, se toma por conveniencia el  mayor de los dos.      2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

11 

12 

13 

14 

V p↑   0,87 

1,62 

2,65 

3,60 

4,59 

5,55 

6,56 

7,53 

8,54 

9,64 

10,69 

11,62 

12,66 

13,65 

ΔV l↑   0,13 

0,38 

0,35 

0,4 

0,41 

0,45 

0,44 

0,47 

0,46 

0,36 

0,31 

0,38 

0,34 

0,35 

V p↓   0,67 

1,73 

2,64 

3,65 

4,57 

5,62 

6,48 

7,54 

8,58 

9,50 

10,62 

11,62 

12,58 

13,68 

ΔV l↓   0,33 

0,27 

0,36 

0,35 

0,43 

0,38 

0,52 

0,46 

0,42 

0,5 

0,38 

0,38 

0,42 

0,32 

ΔV l   0,33 

0,38 

0,36 

0,4 

0,43 

0,45 

0,52 

0,47 

0,46 

0,5 

0,38 

0,38 

0,42 

0,35 

Vl 

1 

  TABLA 1     

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Dónde2:    V l : valor medido en voltímetro analógico (a contrastar).  V p↑ : valor medido en voltímetro patrón “hacia arriba”.  ΔV l↑ : error absoluto del instrumento contrastado en “hacia arriba”.  V p↓ : valor medido en voltímetro patrón “hacia abajo”.  ΔV l↓ : error absoluto del instrumento contrastado en “hacia abajo”.  ΔV l : error absoluto del instrumento contrastado.    Con esta serie de datos, ya estamos en condiciones de confeccionar la ​ gráfica de error​  y la ​ gráfica de  corrección​  del instrumento. Es importante hacer notar la diferencia entre estas dos gráficas. La ​ gráfica de error,  Figura 2, permite conocer para cada valor de la escala de  V l , el error absoluto parcial que se presenta en la  medición  ΔV l , del instrumento analógico. Esto quiere decir que, como bien puede apreciarse en la Tabla 1, al  valor medido por medio del voltímetro analógico  V l , se le deberá ​ restar​  una cantidad  ΔV l , para así solventar  ese error sistemático que posee el instrumento. La explicación de porqué se debe restar y no sumar esa  cantidad, radica en el hecho de los valores obtenidos con el voltímetro patrón son ​ menores​  que el obtenido  con el voltímetro analógico.   Es por ello que para representar tal efecto, se traza el ​ gráfico de corrección o contrastación​ , Figura 3, en  donde se muestra una forma notoriamente sencilla de obtenerla, simplemente al cambiar el signo del error  absoluto  ΔV l  de cada medición particular, lo que equivale a espejar la curva de error de la Figura 2 sobre el eje  de las abscisas. En síntesis, esta gráfica de contrastación indica al operador, la cantidad que debe restarse a la  medición implementada por él mismo, para obtener un valor de magnitud lo más exacto posible, pues se  eliminaron los errores sistemáticos.  

  Figura 2  2

 Todos estos valores están expresados en Voltios. 

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  Inst. Contrastado 

Patrón 

Fecha 

Operador 

Marca: UNIVO  Nº: 8037 

Marca: UNI-T  Nº: UT58D 

26/03/2015 

Diego Javier Alcazar  

 

  Figura 3    Entonces, de acuerdo a los valores del voltímetro digital relevados de la Tabla 1, se puede asegurar que  el instrumento adoptado como patrón cumple su verdadero rol de contrastador, al mantenerse su error  absoluto máximo menor a 0.15,  ΔV p ≤ 0 , 1 5  , como se muestra en la siguiente tabla reducida.   

V lectura  

ΔV p  

¿Puede ser usado como patrón? Si  cumple con:  ΔV p ≤ 0 , 1 5   

1,62 V 

0,0181 V 

✔ 

5,55 V 

0,03775 V 

✔ 

10,69 V 

0,06345 V 

✔ 

13,68 V 

0,0784 V 

✔ 

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Verificación de la Clase del instrumento.    Con los datos obtenidos anteriormente, podemos calcular analíticamente la Clase del instrumento.  Para ello, es necesario conocer el valor de Error Absoluto Máximo  ΔV l , que según la Tabla 1, se corresponde  con 0,52 para un valor de  V l = 7  V . Entonces, por la expresión analítica de la Clase se obtiene:    C=  

ΔV l(max)*100 FE

=

0,52V *100 30V

= 1 , 7 3333...  

Puesto que según, la norma IRAM 2039, la cual fija los valores estándares de clase de los  instrumentos, en 0,25 - 0,5 - 1 - 1,5 - 2 - 3. Es necesario entonces un redondeo hacia arriba en el valor de clase  obtenido, es decir, a  C = 2 , esto es así, ya que estaríamos considerado el máximo error permisible por el     instrumento. Comparando este valor con la Clase indicada por el instrumento,  C = 2 , 5  , se observa que  evidentemente es menor, esto nos estaría indicando que en con las condiciones impuestas por el ensayo, el  instrumento tiene un comportamiento más exacto que según lo indica el fabricante. 

                         

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Conclusiones    En primera medida, queremos hacer notar un error grueso de medición cometido en las primeras  instancias de medición del práctico, debido a la poca experiencia con la manipulación de instrumentos  analógicos. Más precisamente, hemos tomando nota de unos valores de tensión de una escala que no  corresponde con la escala de voltaje. Inmediatamente, alertamos la falla, y subsanamos el problema repitiendo  el ensayo, esta vez de manera correcta, obteniendo los datos tabulados en la Tabla 1.    Uno de los principales objetivos que se pretende alcanzar, mediante las mediciones propuestas “hacia  arriba” y “hacia abajo”, es la supresión de ciertos factores vinculados con la construcción del instrumento. Por  ejemplo, entre los más destacables se puede encontrar los rozamientos del conjunto móvil de la aguja  indicadora, y la presencia de ciertos factores físicos como ser, las respuestas de histéresis magnética dado que el  instrumento analógico funciona principalmente con bobinas.  Un punto de discusión importante que sale a la luz, inmediatamente después de estudiar los  resultados obtenidos con las mediciones, es que sucede si se aumentara la cantidad de series de repetición en las  medidas. Si bien, es claro que con una mayor cantidad de mediciones sobre la misma magnitud, y en las  mismas condiciones que las anteriores, se lograría averiguar que tan ​ preciso​  es el instrumento, de acuerdo si las  variaciones en cada medida particular difieren o no en gran valor. Esto a su vez no implica que el instrumento  sea más exacto, pues, puede darse el caso que el error absoluto en cada medición parcial, sea grande comparado  con la diferencia de valores entre las mediciones individuales de pasada. Un ejemplo claro de ello puede ser,  que en cada medición las bobinas del  instrumento analógico queden cargadas, generando un error en la  medición. Este error a su vez se sumará al de las medidas posteriores, donde se observa claramente que error se  magnifica cada vez más.    De acuerdo con una recopilación de datos realizada se sabe, que en el Laboratorio Central de  Electrónica, UTN FRC, los instrumentos son contrastados por lo menos una vez al año usando como patrón  un multímetro de banco Protek B4100, vale decir que este instrumento es usado sólo para tal  fin. - dato  aportado por el Ingeniero Cagnolo-.  Además, de los instrumentos que posee dicho laboratorio, aquellos que pueden ser usados como  instrumentos patrones de otros, son:                      

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●   Protek B4100 Digital Multimeter.    Display  Slow 

Counts: 200,000 Digits: 5 1/2 

Medium 

Counts: 20,000 Digits: 4 1/2 

Fast 

Counts: 2,000 Digits 3 1/2  Specifications (@ 25ºC±5ªC) 

DC voltage 

Ranges: 2V, 20V, 200V, 1000V  Input impedance: 10M   Accuracy: ±(0.05% + 3)  Best resolutions: 10uV(Slow), 100uV(Medium), 1mV(Fast) 

AC voltage 

Ranges: 2V, 20V, 200V, 1000V  Overload protection: 1000V  Accuracy: ±(0.5% + 5) 45Hz to 450Hz  Best resolutions: 100uV(Slow and Medium), 1mV(Fast)  Crest factor: 3:1 

DC current 

Ranges: 200uA, 200mA, 10A  Overload protection: 0.5A/250V and 10A/250V fuse  Accuracy: ±(0.1% + 5) 

AC current 

Ranges: 200uA, 200mA, 10A  Overload protection: 0.5A/250V and 10A/250V fuse  Accuracy: ±(0.5% + 5) 

Resistance 

Ranges: 200 , 2K , 200K , 2M , 10M   Overload protection: 250V DC or AC RMS  Accuracy: ±(0.05% + 3)  Best resolutions: 1m (Slow), 10m (Medium), 100m (Fast) 

Frequency 

Ranges:200Hz, 2KHz, 20KHz, 200KHz  Overload protection: 250V DC or AC RMS  Accuracy: ±(0.05% + 2)  Best resolutions: 1mHz(Slow), 10mHz(Medium), 100mHz(Fast) 

       

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●   Tektronix TDS2022B oscilloscope.   

       

Vertical sensitivity 

2mV to 5V/div on all models with calibrated fine adjustment. 

DC vertical accuracy 

+3% on all models. 

● Protek Digital Multimeter 504-505-506.  Display 

4 ¾ (4000 counts) 

DC voltage 

Range:  400mV ±(0.3% + 1)  4V to 1000V ±(0.5% + 2) 

Input impedance 

10M  

    Según nuestras estimaciones, basadas en el conocimiento más detallado y profundo adquirido por el  presente ensayo, la curva de contrastación sería perfectamente válida dentro de un período de 6 meses.  Pudiéndose extender el mismo lapso de tiempo, a un periodo menor a 12 meses, si no es usado con demasiada  frecuencia. Siendo un poco más minucioso, acerca de las causas que nos alientan a estipular cierto tiempo  válido de uso, se podría decir que los parámetros de estos instrumentos se alteran en cierta medida, por los  valores cambiantes aleatorios de temperatura y humedad presentes en el entorno, la exposición a campos  electromagnéticos, sin mencionar los ligeros golpes accidentales en su uso, afectando a partes del mecanismo  móvil.   Un factor no tan relacionado a las partes internas propias del instrumento, sino más bien con la  impericia del operador, pero no por ello menos importante, que se suele cometer con multímetros analógicos,  es obviar el paso necesario de calibración inicial a ​ cero​  para su correcto uso. Esto se puede justificar, alegando  que la mayoría de los estudiantes, u operadores novatos solo manipulan instrumentos de medición digitales,  pues tiene un uso más simplificado y presentación más clara de los valores medidos.    

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