Tema 3: Diseo de un Puente de Medicin de Corriente Directa DC

Tema 3: Diseo de un Puente de Medicin de Corriente Directa DCInstrumentacin y Medicin

2014Grupo 10Universidad Nacional Abierta y a DistanciaJenniffer Blanco Castillo Cd. 103243076 Juan Camilo Bauer Uruea Cd. 1010106580 Daicy Yulieth Garzon Cd. 1030635490 Diana Camila Novoa Ruiz Cd. 1048847406 Yeison Javier Leon Cd.

Contenido

Introduccin3Objetivos4Generales4Especficos4Puente de Wheatstone5Marco Terico5Diseo de Circuito11Puente de Kelvin16Marco Terico16Diseo de Circuito16Clculos16Conclusiones17Bibliografa18

Introduccin

En el siguiente trabajo se ilustra el diseo de dos dispositivos de medida que utilizara el profesional de la UNAD, en el recorrido de su vida laboral para la medicin de corriente directa DC. Uno de los dispositivos que se disearan es Puente de Wheatstone y el otro es el puente de Kelvin, se dar a conocer su funcionamiento y sus aplicaciones. Tambin podemos conocer un poco ms sobre el funcionamiento del puente Wheatstone y de donde proviene su nombre, este puente se llama as en honor al inventor y creador, el fsico britnico Charles Wheststone.

Objetivos

Generales Disear: un puente de Wheatstone y un puente de Kelvin para la medicin de corriente directa DCEspecficos Comprender el concepto de corriente directa Identificar la variacin de medidas entre los valores obtenidos y los valores nominales de las resistencias Analizar las fuentes de error en las mediciones del puente Wheaststone y el puente e Kelvin Conocer funcionamiento de diferentes puentes de medicin y sus aplicaciones Implementar diferentes puentes de medicin, conocer sus caractersticas prcticas. Analizar las desviaciones de los resultados de las mediciones

Puente de Wheatstone Disear e implementar Puente de Wheatstone; realice la medicin de resistencias de 100, 1K, 10K, 100K; compare los resultados de la medicin con el valor obtenido al medirse con multimetro digital, porcentaje de error de las mediciones con los valores nominales de las resistencias utilizadas, analice las principales fuente de error en la medicinMarco TericoPuente de Wheatstone. Tambin conocido como puente de hilo, es un instrumento de medicin que se puede utilizar para corriente continua o corriente alterna, con este instrumento se puede realizar mediciones en dispositivos tales como resistencias, bobidas o condensadores. Este puente de Wheatstone es bastante utilizando en diferentes aparatos de medias como ejemplo el manometro.Para determinar el valor de uns resistencia elctrica solo basta con colocar en cada entre cada uno de los extremos de la resistencia una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), basados en la ley de Ohm, R=V/I.En la siguiente imagen se ilustra un puente Wheatstone tradicional, en este se visualizan cuatro ramas resistivas junto con la fuente FEM y un detector de cero, el cual generalmente es un galvanmetro.

Ilustracin 1Anlisis de Un CircuitoPara el anlisis es necesario conocer la ley de Kirchhof, con el cual se conocern los nodos a, b, y d

Ilustracin 2

Cuando existen cuatro nodos en el puente Wheatstone, las ecuaciones de intensidad mencionadas anteriormente, deben ser independientes. Aplicando la ley de Kirchhoff para las mallas adbafa, acba y bcdb las ecuaciones son:

Las ecuaciones mencionadas anteriormente constituyen un sistema de seis ecuaciones con seis incgnitas.Errores de Medicin:El puente de Wheatstone se emplea en mediciones de precisin de resistencias desde 1 hasta varios megaohms. La principal fuente de errores se encuentra en los errores lmites de las tres resistencias conocidas. Otros errores son: Sensibilidad insuficiente en el detector de cero Cambios en las resistencias de las ramas debido a efectos del calentamiento por la corriente por la corriente a travs de las resistencias. El efecto de calentamiento por la corriente de las ramas del puente puede cambiar la resistencia en cuestin. El aumento constante de temperatura puede afectar la resistencia no solo en su medicin sino en de manera definitiva. Las FEM trmicas en el circuito del puente pueden causar problemas cuando se miden resistencias de bajo valor. Los errores debidos a terminales del exterior y contacto con las resistencias, se ven reflejados en resistencias de bajo valor. Para evitar esto, se utiliza el puente de Wheatstone.El puente resistivo conocido como puente de Wheatstone es una forma alternativa para medir pequeos cambios de resistencia. La variacin en el valor inicial de una o varias de las resistencias del puente, como consecuencia de la variacin de una magnitud fsica, se detecta en el puente como un cambio en la tensin de salida. Dado que los cambios de resistencia son muy pequeos, los cambios en la tensin de salida pueden ser tan pequeos como decenas de mV, lo que obliga a amplificar la seal de salida del puente.

Ilustracin 3La diferencia de potencial entre los puntos c y d definir la corriente a travs del galvanmetro. Para el caso donde la diferencia de potencial es cero, no se tendr paso de corriente por el instrumento, se dice entonces que el puente est equilibrado o balanceado, para que se cumpla esta condicin:Vca= Vda y Vcb=Vbd

Donde Vca= I1R1 y Vda= I2R2

Por tanto I1R1= I2R2(Ec. 1)

Si por el instrumento de medicin (G) no se tiene paso de corriente:

Remplazando en la (Ec. 1):

Simplificando: De donde: R1R4= R2R3Si se conoce el valor de 3 resistores el cuarto valor puede encontrarse empleando la expresin anterior, Si R4 es la resistencia desconocida:

se conoce como rama patrn, y las resistencias R2 y R1 se denominanramas de relacin

Ilustracin 4El caso (A) en el que vara slo un elemento, es el ms adecuado para la medida de temperatura con RTDs o termistores. Tambin para medidas de deformacin con una sola galga. Vemos que la relacin entre la salida del puente e R no es lineal. Ms adelante veremos mtodos para linealizar la salida del puente. El caso (B) se tiene p.e. con dos galgas iguales montadas adyacentemente, con sus ejes en paralelo. La no linealidad es igual que en el caso (A), pero la sensibilidad es el doble. Este tipo de puente con dos elementos variando es tpico de sensores de presin y de flujo. En el caso (C) se tienen dos elementos idnticos que varan en direcciones opuestas. Es el caso de dos galgas una montada en la parte superior de la superficie flexible y otra en la parte inferior. La configuracin (D) es una de las ms populares. La seal de salida es la mayor de todas para un cambio de resistencia y es inherentemente lineal. Es una configuracin tpica de las clulas de carga.

Puente de WheatstoneEl puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisin que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias hmicas como de sus equivalentes en circuitos de comente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias).El puente de Wheatstone es un circuito inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter Christie(1784-1865), Pero fue el Sr.Charles Wheatestone quien le dio muchos usos cuando lo descubri en1843.Como resultado este circuito lleva su nombre.FuncionamientoPara determinar el valor de una resistencia elctrica bastara con colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de la ley de Ohm, R=V/I. Sin embargo, a menudo la resistencia de un conductor no se mantiene constante -variando, por ejemplo, con la temperatura y su medida precisa no es tan fcil. Evidentemente, la sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los elementos que lo componen, pero es fcil que permita apreciar valores de resistencias con dcimas de ohmio.MedicinCuando el puente se encuentra en equilibrio: R1 = R2 y Rx = R3 de donde R1 / Rx = R2 /R3. En este caso la diferencia de potencial (la tensin) es de cero "0" voltios entre los puntosAyB,dondesehacolocadounampermetro,quemuestraquenopasacorrienteentrelospuntos A y B (0 amperios). Cuando Rx = R3, VAB = 0 voltios y la corriente = 0 amperios. Si no se conoce el valor de Rx, se debe equilibrar el puente variando el valor de R3. Cuando se haya conseguido el equilibrio, Rx ser igual a R3 (Rx = R3). R3 debe ser una resistencia variable con una cartula o medio para obtener valores muy precisos.Esta figura esquematiza un puente de Wheatstone tradicional, el puente tiene cuatro ramas resistivas junto con la fuente (batera) y un detector de cero, generalmente un galvanmetro u otro medidor sensible a la corriente.

Ilustracin 5Para el anlisis del puente vamos a considerar que todas las ramas estn formadas por elementos resistivos. Podremos conocer su forma de utilizacin a travs del anlisis del circuito.

Ilustracin 6Las corrientes circulantes se dibujan recorriendo la malla, tal como lo indican las corrientes de la figura.1. I=I1+I2VIm = I1*R1+I2*R22. I1=I3+I5I1*IR+R3*R1=I5*R53. I=I3+I4VIm-I3*R3-I4R4 I5= 0 Esta ecuacin representa una importancia extraordinaria para el puente de Wheatstone.De donde obtenemos

Como observamos I5 ser nula, independiente de cual sea la tensin aplicada.Si tres de las resistencia tiene valores conocidos, la cuarta puede establecerse de la ecuacin anterior; de aqu, se R4 es una resistencia desconocida, su valor de Rx puede expresarse en trminos de resistencias restantes.

Luego tenemos que: R1 tiene un valor fijo de 70 K R2 tiene un valor fijo de 30 K R3 tomara los valores de 100, 1 K,10 K,100 K Ahora tenemos que hallar todos los valores de Rx. Asi el puente quedara en equilibrio. Procederemos a calcular los valores de cada uno de los puentes que se forman con la formula anterior mencionada.Diseo de CircuitoPrimera PropuestaCon la resistencia 100

Ilustracin 7Con la resistencia 1 K lo pasamos a eso nos da 1000

Ilustracin 8Con la resistencia 10K lo pasamos a eso nos da 10000

Ilustracin 9Con la resistencia 100 K lo pasamos a eso nos da 100000

Ilustracin 10

Segunda PropuestaPara poder obtener el puente de Wheatstone se debe cumplir la siguiente condicin R1/R4 = R2/R3

Para ello una solucin posible es que R1= 100, R2=1k, R3=100K y R4=10k.Resolviendo la ecuacin teniendo en cuenta estos valores seria:

Lo cual cumple la condicin necesaria para el Puente de Wheatstone es decir si se simula es circuito no debe de aparecer corriente alguna en el ampermetro que se coloca entre el punto C y D como se puede ver en la imagen:

Ilustracin 11Pero esto es desde el simulador, ya que al montar el circuito en la protoboard puede haber un margen de error alto ya que las resistencias que utilizan tienen un margen de error alto esto quiere decir por ejemplo en la resistencia de 1k al medirla nos dio en nuestro caso en particula, un valor de 989 .

En la siguiente tabla se expondr los valores tericos y los valores reales de algunas resistencias:

resistenciasValor terico ()Valor real ()% error

R11001055

R21K9891.1

R3100K100,3k0.3

R410K10,26K2.6

Con estos valores de las resistencia no se cumple la frmula es decir al colocar un ampermetro entre los puntos C y D va a dar un valor de corriente como se puede evidenciar en la simulacin tomando estos valores.

Ilustracin 12

Tercera Propuesta

Puente de KelvinDisear e implementar Puente de Kelvin; realice la medicin de resistencias de pequeo valor (inferior a 10); compare los resultados de la medicin con el valor obtenido al medirse con multimetro digital, porcentaje de error de las mediciones con los valores nominales de las resistencias utilizadas, analice las principales fuente de error en la medicinMarco TericoPuente de Kelvin. Diseo de CircuitoPrimera Propuesta

Ilustracin 13Clculos

Conclusiones

Al realizar el diseo y montaje del puente de Wheatstone, le permite al estudiante comprender su funcionamiento y aprender a utilizarlo en los diferentes entornos. Para el uso correcto del puente de Wheatstone, es necesario que el estudiante conozca el concepto de la ley de Kirchhoff Las mediciones obtenidas por medio de un simulador y de manera fsica, pueden variar segn las resistencias y multmetro utilizados El puente de Wheatstone permite comprender el funcionamiento de las PT100 utilizadas en la instrumentacin. Realizando este tipo de ejercicios, comprenderemos como podemos utilizar las diferentes herramientas que nos ensea este curso. Comprendiendo el funcionamiento y aplicndolo en ejercicios prcticos y tericos, miraremos como se componen estos elementos.

Bibliografa

Campus Virtual UNAD. (22 de 08 de 2014). Obtenido de Campus Virtual Instrumentacion y Mediciones: http://66.165.175.211/campus13_20142/course/view.php?id=263#http://fisica.udea.edu.co/~lab-gicm/Curso%20de%20Electronica/2009_Puente_de_Wheaststone.pdf

Leguizamn, Gabriela Ins 2013. Gua actividad10. Instrumentacin y Mediciones. UniversidadNacional Abierta y Distancia. Colombia.Leguizamn, Gabriela Ins 2013. MduloGeneral. Universidad Nacional Abiertay Distancia. Colombia

(Campus Virtual Instrumentacion y Medicion, 2014)

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