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Laboratorio I – UI – Parte 1: Instrumentos de Medicion y Errores – Prof. Ing. Martin, Milton

Unidad I – Parte 1: Parte 1 - Reconocimiento de instrumental de laboratorio. Errores: absoluto, relativo y medio. Uso del osciloscopio.

Clasificación de los Métodos de Medición • Mediciones Absolutas: Son aquellas que comparan la cantidad a medir directamente con los patrones fundamentales del sistema de unidades que se emplea. • Mediciones Relativas: Son todas las demás que realizamos en nuestro trabajo, en el Laboratorio y en la vida cotidiana. • Mediciones Directas: Son aquellas en las que el resultado que se obtiene es consecuencia inmediata de los datos experimentales.Ej: tensión con un Voltímetro, I con un Amperímetro. • Mediciones Indirectas: En ellas, además de los datos experimentales, se necesita una ley que los relacione con el resultado de la medición. Ej: medida de Resistencia con voltímetro y amperímetro. Medición del factor de potencia con Voltímetro, Amperímetro y Wattímetro. Las mediciones directas son más rápidas, menos costosas , pero en general menos exactas.

Teoría de Errores Errores Absolutos y Relativos En la vida cotidiana, el hombre, tiende a expresar el resultado de las mediciones que efectúa como si fueran absolutamente exactas y libres de error. Sin embargo, el estudiante no puede permitirse esta costumbre y debe desarrollar y afianzar la convicción de que no solo debe medirse el valor de una magnitud utilizando los métodos e instrumentos adecuados para el fin a que está destinada la medición, sino también calcular la cota de error que afecta la exactitud de la misma, la cual debe acompañar el resultado final de la medición.

Error Absoluto Verdadero El objeto de toda medición, es determinar el valor de una magnitud, pero debido a los errores que inevitablemente se presentan, siempre se obtiene solamente un valor aproximado al verdadero, que llamaremos valor medido, Xm, este valor medido difiere del valor verdadero, Xv, en un error absoluto verdadero, ΔXv, que se define como la diferencia algebraica entre el valor medido y el valor verdadero. ΔXv = Xm - Xv Esta es solamente una ecuación de definición, ya que no conocemos el valor verdadero de la magnitud (justamente por eso se hace la medición). En realidad no existe un valor verdadero, absolutamente exacto e invariable de una magnitud física debido a la naturaleza discontinua de la materia, y las vibraciones de los átomos y moléculas. En consecuencia, la expresión “error absoluto verdadero” no tiene sentido físico.

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Valor Verdadero Convencional, Error Absoluto Si obtenido el valor de una magnitud con un determinado instrumento, volvemos a medir esa magnitud pero ahora con métodos más perfeccionados y extremando las precauciones a los efectos de reducir al mínimo las causas de error, podríamos afirmar que el error que afecta al resultado de esta última medición puede despreciarse para un propósito determinado. Al valor de la magnitud medida en esas condiciones lo llamamos valor verdadero convencional, Xvc, o valor real, Xr. De esta manera a su vez queda definido el error absoluto convencional, ΔXc. ΔXc = Xm - Xvc Esta ecuación si tiene sentido físico, y a este error se lo llama directamente error absoluto y simbólicamente “ΔX” representando el grado de incertidumbre con que conocemos el valor medido o valor aproximado. Como concepto general podemos adoptar como valor verdadero convencional, al valor medido con instrumentos de características funcionales y constructivas tales que nos permitan afirmar que la medida efectuada se realiza con un error que puede despreciase respecto al cometido con el instrumento inicial y de cuya medida se quiere conocer el error absoluto.

Error Relativo El error absoluto por si solo no basta para indicar la bondad o calidad de la medición efectuada. Por ejemplo un error absoluto de 1 [m] en la determinación de la distancia de la tierra a la luna es más grande que un error absoluto de 1 [cm] en la medición de mi estatura pero es evidente que la primera medición es más exacta que la segunda. Por lo tanto se hace necesario caracterizar la exactitud de una medición haciendo uso del error relativo que es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero convencional de la magnitud considerada. e=

Xm− Xvc Xvc

Errores Gruesos o Faltas Son los que generalmente se producen por equivocaciones o impericia del operador. Por ejemplo: · Errores de lectura en instrumentos que poseen varias escalas. El error se produce al hacer la lectura sobre una escala que no corresponde al rango seleccionado. · Error de cálculo. Este tipo de error se produce cuando la magnitud a medir se obtiene por la aplicación de una fórmula o es la relación entre medidas efectuadas con distintos instrumentos. · Error de escritura al trasladar los resultados de las mediciones en forma equivocada a tablas o gráficas. · Error de ajuste del instrumento previo a la medición. Este tipo de error aparece cuando nos olvidamos de ajustar a cero el óhmetro de un multímetro antes de efectuar la medición de una resistencia, o cuando no tomamos en cuenta la componente continua de una tensión alterna que se mide con un voltímetro.

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El osciloscopio Descripción El osciloscopio es un instrumento muy corriente en el laboratorio de Física, de Electricidad y Electrónica. Tiene forma cónica con un cuello tubular en el que va montado el cañón de electrones. Describiremos sus distintas partes:

El cañón electrónico Los electrones son emitidos por un cátodo de caldeo, que tiene forma de un cilindro cerrado por un extremo mediante una plaquita. Esta placa está recubierta por óxidos de bario y estroncio que emiten un haz de electrones de alta densidad. El cátodo se calienta mediante un elemento calefactor en forma de hélice que está contenido en el cilindro. A continuación, y muy próximo al cátodo viene la rejilla de control que tiene un orificio más pequeño que la superficie emisora. Una segunda rejilla de control acelera los electrones que han pasado a través de la primera rejilla. El siguiente elemento dentro del tubo, es el denominado ánodo de enfoque. Que tiene forma cilíndrica con varios orificios. Finalmente, tenemos el ánodo acelerador. El ánodo acelerador A2 está fijado a un potencial de varios miles de voltios respecto al cátodo. El primer ánodo de enfoque A1 funciona a un potencial VC que es aproximadamente la cuarta parte de A2, VC+VB. La segunda rejilla R2 está conectada internamente a A2. Variando los potenciales VB y VC se puede cambiar la energía del haz de electrones. La rejilla de control R1 es siempre negativa respecto al potencial del cátodo C. La densidad del haz de electrones y por tanto, la intensidad de la imagen sobre la pantalla puede variarse EET1 –5º Año Electrónica – Turno Tarde

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Laboratorio I – UI – Parte 1: Instrumentos de Medicion y Errores – Prof. Ing. Martin, Milton cambiando esta diferencia de potencial, que recibe el nombre de tensión de polarización. Normalmente, la rejilla de control R1 funciona a un potencial de 20 voltios negativos respecto del cátodo.

La pantalla La pantalla del tubo de rayos catódicos está recubierta internamente con una sustancia fosforosa que destella visiblemente cuando incide sobre ella un haz de electrones. Se denomina luminiscencia a una propiedad radiativa de los sólidos. La sustancia brilla cuando se ilumina con luz de longitud de onda apropiada o se excita por algún otro medio como el choque con un haz de electrones

Cuando se lleva un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, deja un hueco en la banda de valencia. En una red perfectamente pura y regular, el electrón regresa a la banda de valencia. Si la red tiene impurezas que introduzcan niveles de energía en la región prohibida, un electrón que ocupe un nivel de impureza bajo, puede llenar el hueco en la banda de valencia, mientras que el electrón en la banda de conducción puede caer a alguno de los niveles de impureza cercanos a dicha banda. Cuando el electrón pasa de un nivel de impureza cercano a la banda de conducción a un nivel de impureza de baja energía emite radiación que se denomina luminiscencia. El electrón situado en la banda de conducción puede caer en una trampa, desde la cual está prohibida una transición al nivel fundamental de impureza. Al cabo de cierto tiempo, el electrón puede regresar a la banda de conducción, después de lo cual pasa de a un nivel de impureza cercano a la banda de conducción y a continuación, al nivel fundamental de impureza. Debido al tiempo empleado en este proceso, que puede ser de varios segundos, el proceso se llama fosforescencia. La sustancias que se comportan de esta manera como el sulfuro de cinc se usan en las pantallas de los tubos de rayos catódicos, televisión, etc. Para detectar rayos gamma se usa el ioduro de sodio activado con talio. Cuando el haz de electrones choca contra el material de la pantalla, otros electrones son expulsados del fósforo. Estos electrones libres se denominan electrones secundarios y son recogidos por un recubrimiento de grafito en polvo que se aplica a la superficie interna del tubo. El grafito es conductor de la electricidad y lleva los electrones al terminal positivo de la fuente de alimentación. El tubo de rayos catódicos tiene dos pares de placas deflectoras que desvían el haz en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Las placas no son completamente paralelas sino que se ensanchan para lograr grandes ángulos de desviación evitando que el haz de electrones choque EET1 –5º Año Electrónica – Turno Tarde

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Laboratorio I – UI – Parte 1: Instrumentos de Medicion y Errores – Prof. Ing. Martin, Milton contra los bordes de las placas. la diferencia de potencial entre las placas deflectoras suele ser de 0 a 45 voltios.

Controles del Osciloscopio Intensidad. Controla la brillantez del trazo del osciloscopio. La perilla da una conexión a la rejilla de control del cañón de electrones en el tubo de rayos catódicos. Cuando se gira en el sentido de las manecillas del reloj se disminuye el voltaje de repulsión de la rejilla y pueden emerger más electrones del agujero en la rejilla del cátodo para formar un haz. Un mayor número de electrones en el haz origina un punto más luminoso en la pantalla. Enfoque. El control de enfoque se conecta al ánodo del cañón de electrones que comprime el haz de electrones emergente para formar un punto fino. Cuando se ajusta este control el trazo en la pantalla del osciloscopio se hace más agudo y definido. Localizador del Haz. Regresa el despliegue a la zona de visión del CRT sin importar los demás ajustes de control. Para ello reduce los voltajes de deflexión vertical y horizontal. Posición. Las perillas de posición se emplean para desplazar el trazo o el centro de la imagen mostrada por toda la pantalla. Las perillas de posición dan este control ajustando los voltajes de c.c. aplicados a las placas deflectoras del CRT. Posición horizontal. Controla el centrado horizontal de la imagen. Posición vertical. Controla el centrado vertical del trazo. Se emplea este control con el control Acoplamiento de entrada puesto en c.c. para localizar o ajustar el trazo a la tierra del chasis. Iluminación de la escala. Da la iluminación a la reticulas. Las líneas grabadas de la retícula se iluminan con luz proveniente de la orilla de la pantalla, para no producir reflejos que interfieran con la imagen mostrada. Sensibilidad en V/div o V/cm. Determina el valor necesario de voltaje que se debe aplicar a las entradas verticales para desviar el haz una división. Este control conecta un atenuador de pasos al amplificador del osciloscopio y permite controlar la sensibilidad vertical en pasos discretos. El rango típico es de 10 mV/cm hasta 10 V/cm. V/Div Variable. Generalmente un disco rojo de movimiento continúo marcado VA R. Permite una variación continua de la sensibilidad vertical. Se debe ajustar esta perilla a la posición calibrada (generalmente girando por completo en sentido horario pasando el tope donde se oye un chasquido) para igualar la sensibilidad vertical del osciloscopio al valor marcado en el interruptor Sensibilidad Vertical. Tiempo de barrido o tiempo/div : Controla el tiempo que el punto toma para moverse horizontalmente a través de una división en la pantalla cuando se emplea el modo de barrido disparado. Los tiempos de barrido varían desde 1 µs/cm hasta 5 s/cm. Tiempo variable. Generalmente un disco rojo de movimiento continúo marcado. Este control de vernier permite escoger una velocidad continua pero no calibrada de tiempo/div. Fuente o Fuente de disparo. Selecciona la fuente de la señal de disparo. Empleando este control se escoge el tipo de señal que se emplea para sincronizar la onda de barrido horizontal con la señal de entrada vertical. Las selecciones posibles comprenden por lo general: 1. Interna: La salida del amplificador vertical se emplea para disparar el barrido. Esta opción hace que la señal de entrada controle el disparo. EET1 –5º Año Electrónica – Turno Tarde

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Laboratorio I – UI – Parte 1: Instrumentos de Medicion y Errores – Prof. Ing. Martin, Milton 2. Línea. Esta posición selecciona al voltaje de línea como señal de disparo. El disparo de línea es útil cuando hay una relación entre la frecuencia de la señal vertical de entrada y la frecuencia de la linea. 3. Externa. Cuando se emplea esta posición, se debe aplicar una señal externa para disparar la onda de barrido. Esta señal se debe conectar a la entrada disparo externo. La señal de disparo externo debe tener una frecuencia compatible con la señal de entrada vertical para obtener una señal estable en la pantalla. Amplificador de barrido x10. Este control permite disminuir el tiempo por división de una onda de barrido. Sin embargo, la reducción se logra aumentando una parte de la onda de barrido en lugar de cambiar la constante de tiempo de los circuitos internos que la generan. Pendiente de Disparo. Este interruptor determina si el circuito de pulsos en la base de tiempo responderá a una señal de disparo con pendiente positiva o negativa. Nivel de Disparo. Selecciona el punto de la amplitud en la señal de disparo que hace que dé principio el barrido. Acoplamiento. Selecciona el acoplamiento capacitivo (c.a.) o directo (c.c.) de la señal de entrada con el amplificador del osciloscopio. Terminal para el ajuste de la onda. (compensación de la sonda o calibrador). Produce una onda cuadrada (de I o 2 KHz Y 0,5 o 1 [V]) para la compensación de la sonda . Modo de disparo 1. AUTO, permite un disparo normal y da una línea base en ausencia de alguna señal de disparo. Se necesita una deflexión de 0,5 divisiones para activar el disparo. 2. NORM permite el disparo normal, pero el barrido se apaga en ausencia de una señal adecuada de disparo. 3. TV da un disparo en el campo de TV o en la línea de TV. Presentación Vertical. Selecciona osciloscopios de doble trazo, el tipo de presentación que se presentará en el osciloscopio. 1. Canal A selecciona el canal A para presentarlo. 2. Canal B selecciona el canal B para presentarlo. 3. Doble trazo (o canales A y B). Se muestran los dos canales. 4. A+B. Se muestra la suma de las señales de los canales A y B. 5. B INV. Invierte la polaridad de la señal del canal B. Permite mostrar la diferencia entre las señales de los canales A y B cuando se aplican al mismo tiempo el modo (A +B). 6. Entrada diferencial (A-B). Muestra la diferencia entre las señales de los canales 11 y 2.

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