TEMA 2 “MULTÍMETROS”

1.- FUNCIÓN, TIPOS Y ESQUEMA DE BLOQUES:

Un multímetro digital (DMM) es un instrumento capaz de medir tensiones, corrientes y resistencias, con presentación numérica (digital) de los resultados.

Sus ventajas frente a los multímetros analógicos, son ; mayor exactitud, resolución y velocidad simultáneas, a igualdad de coste.

Los errores en este tipo de multímetros son de ≅ 0.1% de la lectura más un 0.1% del fondo de escala, el error de carga es menor debido a su mayor impedancia de entrada.

El principal inconveniente, que a igualdad de tiempo dan menos información que los analógicos, siendo difícil ajustar valores máximos y mínimos o apreciar tendencias. Además en estos los errores por ruidos u otras causas pueden pasar inadvertidos.

Se suelen clasificar según su resolución .

2.- CONVERTIDORES ANALOGICOS-DIGITALES:

Su función es ofrecer una salida codificada, en respuesta a la tensión analógica de entrada, que contiene la información de interés.

La exactitud depende del número de códigos de salida, la resolución viene dada por el número de bits.

Tipos: (familias) - Integradores

- Realimentación

- Vídeo

SALIDA PARALELO:(Actuación sobre transistores)

Bucle Abierto: (Información en un sentido)

Bucle Cerrado: (circuito realimentado)

a) Métodos de Contaje:

Conversión D-A:

Rampa binaria

Contaje Continuo

Rampa analógica:

Sencilla

Doble

SALIDA SERIE: (Un único terminal)

SALIDA TEMPORAL:

Tensión-Frecuencia

Tensión-Anchura de impulso

2.1.-CONVERTIDORES A/D DE DOBLE RAMPA:

Basados en la integración de señal analógica de entrada durante un tiempo fijo, cargando un condensador. El tiempo que tarda en descargarse es proporcional a la magnitud de entrada.

1º Carga:

2º Descarga:

3º La tercera fase es el autocero: entrada a masa.

Este tipo de convertidores son los más usados en multímetros de precisión por las siguientes ventajas:

• Rechazo del ruido en modo serie en la entrada.

• Linealidad.

• No influyen cambios del periodo de integración y del reloj.

• Permiten hacer medidas por relación (ratiométricas).

Su inconveniente es la lentitud.

2.2.- CONVERTIDOR DE APROXIMACIONES SUCESIVAS:

Se compara la señal analógica de entrada con fracciones determinadas de la tensión de referencia. Según el resultado de la comparación, el elemento correspondiente del código toma uno u otro valor (1 o 0).Se requieren tantos pasos de comparación como elementos (bits) tenga el código salida.

Ventajas:

Su rapidez, tarda de 2 a 50 μs para 12 bits, de 0.8 a 30μs para 8 bits.

Inconvenientes:

Alta sensibilidad al ruido

Menor exactitud

3.- CIRCUITOS DE ENTRADA:

El convertidor A/D tiene un margen de tensiones de entrada limitado , debido a esto hay que amplificar las pequeñas y atenuar las grandes, además necesitan tensiones continuas a la entrada y por ello hay que convertir las otras magnitudes a medir, en tensiones continuas.

• Amplificación de señales pequeñas.

• Atenuación de grandes señales.

• Conversión a tensiones continuas.

• Modificación adecuada del circuito.

Fig: Esquema de bloques del circuito de entrada de un multímetro digital.

3.1.- ATENUADOR-AMPLIFICADOR:

Establece la impedancia de entrada del instrumento, lo protege frente a sobre intensidades y sobretensiones, fija el valor máximo de la señal aplicada al convertidor A/D.

Fig: atenuadores de entrada para multímetros digitales.

3.2.- CONVERTIDORES CORRIENTE-TENSIÓN:

Basados en Shuts, elegidos de forma que la tensión a fondo de escala sea la misma para escala de medida de corriente.

Para medir corrientes de valor superior al de fondo de escala se puede disponer una resistencia paralelo externa, mientras su valor no sea tan bajo que adquiera importancia la resistencia de los hilos de conexión.

Para medir corrientes muy pequeñas, se puede disponer el aparato en forma de medidor de tensión, y medir la c.d.t. en la resistencia de entrada (10 MΩ).

3.3.- CONVERTIDOR RESISTENCIA-TENSIÓN:

Se hace pasar una corriente cte por el convertidor A/D para tener una tensión continua que es la magnitud que acepta este.

La fuente de tensión se hace partiendo de una tensión cte, poniendo en serie con la resistencia a medir otra que dependa de la escala.

La tensión a la salida del circuito será.

Vo=I·Rx

Considerando la resistencia de los hilos de conexión:

Vo= I·(Rx + 2Rh)

Para evitar esta fuente de error; se mide primero la resistencia de los hilos y luego se resta, o se emplea un circuito de medida a 4 hilos.

Fig: Circuito de medida a 4 hilos

3.4.- CONVERTIDORES ALTERNA-CONTINUA:

Las tensiones continuas se caracterizan por su polaridad y magnitud, en cambio para tensiones alternas hay que saber primero si son periódicas, interesa su forma y frecuencia, y su valor pico-pico y valor rms.

El valor eficaz de una tensión se deduce como

Un tipo de convertidor alterna-rms son los medidores Rms térmicos. Emplean dos termoelementos, una termopila y una resistencia de calefacción, aislados eléctricamente, pero con buen acoplamiento térmico, la tensión de entrada calienta uno, mientras el otro es calentado, hasta alcanzar la misma temperatura, a base de aplicación de tensión continua generada internamente, y que se mide con precisión.

Otro tipo se basa en circuitos analógicos que realizan los cálculos indicados por la definición matemática. Son más baratos, pero su error es mayor si la entrada no es simétrica.

El factor de forma se define como:

y el factor de cresta será:

Debido a que estos son caros, en los DMM más simples se miden el valor medio, incorporando un convertidor alterna-valor medio. Su salida se multiplica luego por un factor cte y el resultado es lo que se presenta, si no es una senoide pura hay error.

Cuando la señal de entrada tiene además una componente continua, si antes de obtener el valor medio se acopla en alterna, el verdadero valor eficaz de puede calcular mediante la suma cuadrática de las lecturas obtenidas al medir en continua y en alterna.

4.- FUNCIONES AUTOMÁTICAS:

• Indicación de polaridad.

• Posicionamiento del punto decimal.

• Corrección de cero.

• Indicación de sobrecarga.

• Cambio de escala (Autorange)

• Capacidad de cálculo.

5.- ERRORES:

5.1.- ERRORES INHERENTES:

Se deben a imperfecciones de los componentes, no se pueden subsanar a base de tomar precauciones durante la medida.

• Incertidumbre en el coeficiente de atenuación.

• Inexactitud de ganancia de amplificación.

• Derivas de tensión de referencia del convertidor A/D.

• Indecisión digital.

Al medir con un DMM hay una inexactitud en la lectura que depende en parte del valor de la propia lectura, y en parte es fija para cada escala.

La exactitud suele ser inferior a la resolución, en muchas medidas un suelen necesitar gran exactitud si no una buena repetibilidad..

La cuantía de los errores en un DMM viene influida normalmente, por la temperatura, humedad relativa, tiempo transcurrido desde la última calibración, y la tensión de alimentación. Estos factores se deben tomar en cuenta en el cálculo del error total.

5.2.- ERRORES DE UTILIZACIÓN:

Estos errores son menores que en los multímetros analógicos.

Un error que suele pasar desapercibido es el error de carga, en la medida de corrientes es más grave que en la medida de tensiones.

Al medir corrientes alternas deben tenerse en cuenta las capacidades paralelo con la resistencia de entrada del instrumento y las inductancias en serie con ambas.

En la medida de resistencia la principal fuente de error es la resistencia de los hilos de conexión, se evita mediante el ajuste a cero o empleando el método a cuatro hilos.

5.3.-RECHAZO MODO SERIE Y MODO COMUN:

Normalmente olvidado paro afecta a la capacidad del multímetro de dar un resultado acorde con el verdadero valor de la medida, es su capacidad de rechazar las interferencias electromagnéticas presentes en todo el circuito.

• Grave en sistemas de toma de datos, pues hay mayor cantidad de cables de mayor longitud.

• Las interferencias que pueden dar por ruido modo serie (o normal) o ruido en modo común.

• Ruido modo serie: es una señal indeseada que se superpone a la señal de entrada.

• Ruido modo común: Son todas las señales que aparecen simultáneamente en ambos terminales de entrada, respecto a tierra. Si hay desequilibrio entre las impedancias de entrada, estas señales modo común dan lugar a señales modo serie

• El ruido modo serie de elimina si se puede diferenciar de la señal de entrada. Para evitar que influya en los resultados en los multímetros de sobremesa se suele emplear un convertidor A/D integrador.