No todos los instrumentos de medida eléctrica son apropiados para medir en ambientes eléctricos distorsionados, por lo que analizaremos 4 tipos de instrumentos muy utilizados industrialmente y los dividiremos en dos grupos:
• Instrumentos que basan su medida en el cálculo del valor medio
o Multímetros y pinzas amperimétricas de valor medio
• Instrumentos que calculan el valor eficaz real de la señal (instrumentos de verdadero valor eficaz).
o Multímetros y pinzas amperimétricas de verdadero valor eficaz
o Equipos de visualización de la forma de onda de la señal.
o Equipos de medida y análisis de armónicos, y otros parámetros relacionados con la calidad de la señal.
Dependiendo del fabricante de estos 4 tipos de equipos hay incluso los que integran en uno solo un multímetro, un osciloscopio y un medidor de armónicos, lo que es importante a la hora de realizar inversiones eficaces.
Instrumentos que basan su medida en el cálculo del valor medio. Multímetros y pinzas amperimétricas de valor medio.
La instrumentación de mano de valor promedio es la mas utilizada con diferencia por los instaladores y técnicos de mantenimiento que trabajan en instalaciones eléctricas, edificios comerciales, plantas industriales e instalaciones domésticas.
Estos multimetros y pinzas amperimétricas fueron diseñados hace años para realizar medidas sobre señales senoidales, cuando los armónicos, o bien no se conocían, o bien no eran un problema en las instalaciones eléctricas. Hoy en día aparecen todavia en el mercado nuevos modelos, con mejores prestaciones y precisiones, pero que siguen basando su funcionamiento en el cálculo del valor medio.
Figura 1: Multímetro de valor medio
La instrumentación de valor medio, también llamada de valor promedio, se diseñó cuando la señal de alimentación de tensión y las de corriente eran todas senoidales. Su diseño y desarrollo está optimizado en relación complejidad/precio, de tal forma que las señales senoidales las miden correctamente, con el error tipico de la precisión del equipo. Cuando la señal ya no es senoidal, el resultado de la medida puede ser muy diferente al valor eficaz real de la señal que se está midiendo. La explicación está en el método de medida que se utiliza para calcular el valor eficaz. La instrumentación de valor medio utiliza la relación existente entre el valor eficaz y el valor medio en medio periodo para calcular el valor eficaz de la señal. Este tipo de instrumentación utiliza siempre el coeficiente 1.11 que relaciona el valor eficaz con el valor medio en medio periodo de una señal senoidal, es decir, el valor medio de la señal rectificada. Este coeficiente es sólo válido cuando la señal es senoidal. El circuito tipico utilizado por este tipo de equipos se presenta en la figura 2:
Figura 2- Circuito de entrada utilizado por los instrumentos de valor medio
para calcular el valor eficaz de la señal de alterna
Básicamente en lo que consiste este circuito es en un puente de diodos que rectifica la señal, un circuito acondicionador que multiplica la señal por 1.11 y un circuito que calcula el valor promedio. El resultado es un número que coincide con el valor eficaz, independientemente de la frecuencia y el valor de la señal. (La única condición es que la señal no contenga armónicos, esto es, que sea senoidal). Este tipo de instrumentación está ampliamente extendido, es barato, y permite hacer medidas de tensión o corriente de forma correcta en circuitos de alimentación; y cualquier tipo de carga donde la señal de corriente o tensión sea senoidal.
Es importante enfatizar el hecho de que la señal tenga que ser senoidal, ya que el valor de la constante 1.11 sólo es válido cuando la señal es senoidal, ya que cuando no lo es el valor que se obtiene, si se aplica la fórmula matemática que relaciona Veficaz y Vmedio no es de 1.11. La figura 3, muestra el mismo instrumento pero con una señal con armónicos.
Se observa que cuando la señal tiene amónicos o, lo que es lo mismo, no es senoidal, existe diferencia en la relación entre el valor eficaz y el valor medio de la señal rectificada y el multiplicador que tiene el multimetro (1.11). En este caso la medida del multímetro sería de 116 Vac cuando realmente debería marcar 220 Vac, esto es, el medidor estarla cometiendo un error de más del 50%. Este hecho explica por qué hay veces que fusibles tarados a 15 Aac se funden cuando la corriente que se está midiendo es de 12 Aac. Realmente estarían pasando 18 Aac
Figura 3: Circuito de entrada instrumentación valor medio. Señal de entrada deformada.
En la tabla 1 se muestran las especificaciones típicas de un instrumento de valor promedio.
Tabla 1
Instrumentación de Verdadero Valor Eficaz. \ Multímetros y pinzas TRMS.
La instrumentación de verdadero valor eficaz, también llamada TRMS, apareció como consecuencia de la necesidad de medir el valor eficaz de señales que no eran senoidales, es decir señales con armónicos. Los circuitos de entrada de estos multímetros y pinzas amperimétricas son varios, dependiendo en numerosos casos del fabricante del instrumento. Unos aplican la fórmula matemática del valor eficaz, otros calculan el calentamiento efectivo (Vac = Vdc), etc.
Figura 4: Multímetro Fluke de verdadero valor eficaz (TRMS)
Al igual que la instrumentación basada en el cálculo del valor medio, los equipos del verdadero valor eficaz miden tensión, corriente, frecuencia, resistencia, etc. Suelen tener más prestaciones, y su precisión también tiende a ser mejor. Como son más modernos, algunos de estos equipos vienen con la posibilidad de conectarse a un PC.
La figura 5 muestra un posible circuito de medida de verdadero valor eficaz:
Figura 5: Circuito de entrada de un instrumento de verdadero valor eficaz, o TRMS. Este circuito basa su funcionamiento en el calentamiento efectivo.
El circuito de la figura 5 consta de dos transistores apareados. Cuando el calentamiento producido por la señal de continua es equivalente al producido por la señal de alterna el circuito operacional deja pasar un valor de continua equivalente al valor de alterna. Este es el Verdadero Valor Eficaz de la señal.
Estos circuitos son más complejos que los de valor medio. Por esta razón la instrumentación de verdadero valor eficaz tiene un precio superior a la instrumentación de valor medio (suponiendo iguales el resto de prestaciones y precisiones).
Cuando se comparan equipos es importante que todos sean del mimo tipo, ya que de lo contrario podemos estar cometiendo errores, dependiendo de la señal, del 40% - 50% o más. En este caso el valor de precisión del equipo no tendría mucho sentido, ya que, según cual sea el tipo de instrumentación de medida (verdadero valor eficaz, valor medio, etc.) se pueden cometer errores mucho mayores.
Ancho de Banda del medidor:
Otra especificación importante relacionada con la instrumentación es el ancho de banda del medidor. El ancho de banda se refiere al rango de frecuencias de la señal dentro de las cuales el medidor es capaz de realizar medidas fiables. Todo medidor tiene una respuesta en frecuencia similar a la gráfica de la figura 6. Esto significa que el equipo de medida deja pasar unas frecuencias y atenúa o no deja pasar otras.
La frecuencia de corte es aquella en la que la atenuación en tensión o corriente es del 30%. Ancho de banda es el rango de frecuencias que comprende desde la frecuencia más baja que el medidor puede admitir (habitualmente DC) hasta la frecuencia de corte.
El ancho de banda es una característica importante de todo equipo de medida, ya que un medidor de verdadero valor eficaz con un ancho de banda de 50 Hz equivale a un instrumento de valor medio, ya que las componentes armónicas no las mide o las atenúa considerablemente.
Figura 6.- Curva de respuesta en frecuencia de un medidor y espectro armónico de una señal deformada.
En el ejemplo de la figura 6, donde se muestra el espectro armónico de una señal, podemos comprobar que el medidor, con la curva de respuesta en frecuencia mostrada, tendría una frecuencia de corte próxima a los 500 Hz, lo que significaría que las componentes armónicas superiores a 500 Hz no se dejarían pasar o serían fuertemente atenuadas.
El ancho de banda de un medidor es similar a un filtro paso bajo. Normalmente se necesita un equipo de medida de por lo menos 1 kHz de ancho de banda para realizar medidas de formas de onda distorsionadas en ambientes industriales.
Como ejemplo, en la figura 7 se muestran tres señales medidas con instrumentación de verdadero valor eficaz e instrumentación de valor medio, considerándose ambas con la misma precisión de medida. Se observa como a medida que la señal se deforma el error del instrumento de valor medio va aumentando.
Figura 7. Señales con diferente grado de distorsión. A medida que la distorsión se incrementa aumentan los armónicos. Se observa que cuando la señal es senoidal (señal 1) la relación entre el valor eficaz y el valor medio en un semiperiodo es 1.11 que coincide con el coeficiente que utilizan los multímetros de valor medio para calcular el valor eficaz. El error es por lo tanto cero. Cuando la señal se va deformando (señales 2 y 3) esta relación aumenta, llegando a ser de 1.5 que ya no coincide con el valor que utiliza este tipo de instrumentación. El error en este caso es del 26%.
La tabla 2 muestra un resumen de los tipos de señales, la instrumentación de medida utilizada y los errores que se pueden cometer.
Tabla 2.- Comparativa entre distintos instrumentos de medida y tipos de señales.
Resumiendo: cuando se realicen medidas en lugares donde se sospeche que hay armónicos, o donde haya numerosos equipos electrónicos como PCs o balastos electrónicos es recomendable utilizar instrumentación de verdadero valor eficaz, La instrumentación de valor medio, independientemente del método de medida que se utilice no está preparada para realizar medidas en ambientes con armónicos, pudiéndose llegar a cometer errores de hasta un 40%, con el riesgo que ello supone.
En la tabla 3, se muestran las especificaciones que se pueden encontrar en un multímetro de verdadero valor eficaz.
Tabla 3
Continua en:
Instrumentos de medida para corrientes senoidales y distorsionadas (y Parte 2ª)
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