Informe De Osciloscopio

PRACTICA N~1 RESPUESTA DINAMICA. Edison Paul Tierra Tierra

Resumen

Abstract

La práctica a llevarse a cabo es la de RESPUESTA DINAMICA, la cual está dividida en tres partes (tres practicas). La primera practica es hallar el Angulo de fase, la cual puede ser calculada cuando tenemos dos señales senoidales de la misma frecuencia; llamamos desfase entre las dos ondas a la diferencia de la fase entre ellas, el desfase entre dos señales de la misma frecuencia se pueden medir de dos formas. 1.- A partir de la representación dual de ambas señales 2.- Mediante la figura de Lissajous, utilizando la GENERADORA DE MOMENTOS (Segunda practica) La tercera es la de medir el tiempo de respuesta la cual consiste en determinar la constante de tiempo de un sistema de medición de temperatura que se compone de tres ambientes diferentes: Agua, Para cada uno de estos ambientes, la respuesta del sistema de medición es diferente, por lo que el estudiante debe de encontrar la constante de tiempo para determinar y comparar el tiempo de respuesta del sistema de medición, mediante un gráfico el cual detalla el proceso de la práctica, utilizando una termocupla y el sensor de temperatura. En el transcurso de la práctica, se detalla el uso, la seguridad debida al usarlas, partes y funciones que desempeña el: OSCILOSCOPIO y la debida lectura de sus gráficos en la pantalla, GENERADOR DE FUNCIONES, TERMOCUPLA. En la práctica también se especifica los posibles errores los cuales podemos cometer en la toma de datos.

The practice is carried out dynamic response , which is divided into three parts (three practices) . The first practice is to find the phase angle , which can be calculated when we have two sinusoidal signals of the same frequency ; call gap between the two waves a phase difference between them , the phase difference between two signals of the same frequency can be measured in two ways . 1 - . From the dual representation of both signals . 2 - By Lissajous figure , using the MOMENT GENERATING ( second practice) The third is to measure the response time which consists of determining the time constant of a temperature measuring system that is composed of three different atmospheres : water, for each of these environments , the measurement system response is different, so the student must find the time constant to determine and compare the response time of the measurement system through a graph which details the process of practice, using a thermocouple and temperature sensor. During practice, details the use , safety due to use , parties and functions played by : OSCILLOSCOPE and proper reading their charts on , FUNCTION GENERATOR , THERMOCOUPLE screen. In practice, the errors which can be committed in the collection of data is also specified. Keywords : Generating functions oscilloscope thermocouple

Palabras Clave: Generadora de funciones Osciloscopio Termocupla 1

1. Introducción Como sabemos, un sistema de medición cuenta con características estáticas y dinámicas Las características estáticas son la parte pasiva de un sistema de medición, es decir que no dependen del tiempo. Entre ellas encontramos la exactitud, la precisión, la sensibilidad, en fin, las características que tienen que ver con los errores, ya sean estos aleatorios o sistemáticos. Sin embargo, estas especificaciones no nos permiten tener una noción del tiempo que debemos emplear para tomar una medición aceptable. Es precisamente esa información la que me proporcionan las características dinámicas. Todo instrumento de medición que proporciona una respuesta en un tiempo que no depende del que el observador se tarda en leerla, cuenta con especificaciones tales como la constante de tiempo, el tiempo de respuesta, respuesta a la amplitud, fase, frecuencia. Este tipo de datos son determinados en experimentos como los que se van a describir en el presente trabajo. Al existir inercia, ya sea esta térmica o newtoniana, un instrumento de medición nunca proporcionará una lectura 100% fiel a la realidad, sino que la señal rebasará, producto de la inercia, el límite superior de la lectura, para armónicamente regresar al mismo en un tiempo determinado. Es ese tiempo el que vamos a determinar mediante nuestros experimentos en el osciloscopio utilizando la termocupla. Es de gran utilidad el correcto manejo de señales en la instrumentación industrial. Muchas aplicaciones modernas cuentan con sistemas de control, cuyas herramientas de transporte de datos y comandos son las señales que viajan a través de los conductores. La relación entre estas señales, así como la determinación de sus parámetros (amplitud, fase, frecuencia, etc.) es importante ya que no siempre estas son conocidas completamente y su determinación es necesaria. Los diagramas de Lissajous nos permiten establecer estas relaciones entre señales conocidas y desconocidas por medio de unas figuras formadas en el osciloscopio al combinar ambas señales. Se llaman así en honor al físico y matemático francés Jules Antoine Lissajous quien experimentó mucho con las ondas mediante diapasones y espejos.

Fundamentos Teóricos Osciloscopio El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Él Osciloscopio es uno de los más importantes aparatos de medida que existen actualmente. Representan gráficamente las señales que le llegan, pudiendo así observarse en la pantalla muchas más características de la señal que las obtenidas con cualquier otro instrumento. Hay muchos aparatos de medidas capaces de cuantificar diferentes magnitudes. Por ejemplo, el voltímetro mide tensiones, el amperímetro intensidades, el vatímetro potencia, etc. Pero, sin duda alguna, el aparato de medidas más importante que se conoce es el Osciloscopio En la historia de las mediciones eléctricas y electrónicas, el Instrumento que ha producido mayor impacto ha sido el osciloscopio, Debido a que es de utilidad no solamente para medir algunas variables De los fenómenos eléctricos (voltaje, corriente, frecuencia, período, etc.). Con él, no sólo podemos averiguar el valor de una magnitud, sino que, entre otras muchas cosas, se puede saber la forma que tiene dicha magnitud, es decir, podemos obtener la gráfica que la representa. Por otra parte los osciloscopios digitales tienen un aspecto totalmente distinto a los convencionales pero, si entendemos el funcionamiento de los Analógicos, será muy sencillo aprender a manejar los digitales. Los más modernos son, en realidad, un pequeño computador destinado a captar señales y a representarlas en la pantalla de la forma más adecuada. 2

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Esto se hace normalmente en forma de menús que pueden aparecer en pantalla con opciones que el usuario puede elegir con una serie de pulsadores. FORMA DE TRABAJO DE EL OSCILOSCOPIO La forma de trabajo de un osciloscopio consiste en dibujar una gráfica “Una gráfica es una curva que tiene dos ejes de referencia, el denominado de abscisas u horizontal y el eje de ordenadas o vertical. Para representar cada punto de la gráfica tememos que dar dos coordenadas, una va a corresponder a su posición respecto al eje horizontal y la otra va a ser su posición respecto al en el vertical. Esta gráfica se va a representar en la pantalla que tienen todos los osciloscopios“debido al movimiento de un haz de electrones sobre una pantalla de fósforo que la parte interna del tubo de rayos catódicos. Para representar dicha señal sobre el tubo se realiza una división en dos partes: señal vertical y señal horizontal. Dichas señales son tratadas por diferentes amplificadores y, después, son compuestas en el interior del osciloscopio. PARA QUE SE UTILIZA UN OSCILOSCOPIO Un osciloscopio puede ser utilizado para estudiar propiedades físicas que no generan señales eléctricas, por ejemplo las propiedades mecánicas. Para poder representar en pantalla del osciloscopio dichas propiedades, en necesario utilizar transductores que convierta la señal que le llega, en este caso la mecánica, en impulsos eléctricos. Un osciloscopio es un aparato que basa su funcionamiento en la alta sensibilidad que tiene a la tensión, por lo que se pondría entender como un voltímetro de alta impedancia. Es capaz de analizar con mucha presión cualquier fenómeno que podamos transformar mediante un transductor en tensión eléctrica. CARACTERISTICAS DE EL OSCILOSCOPIO Con el osciloscopio se pueden hacer varias cosas, como: 1. Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. 2. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. 3. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. 4. Localizar averías en un circuito. 5. Medir la fase entre dos señales. 6. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. En todos los osciloscopios podemos distinguir tres partes: 7. La pantalla; 8. Un canal de entrada por las que se introduce la diferencia de potencial a medir; 9. Una base tiempos. Osciloscopio analógico El osciloscopio analógico permite medir señales desde 1 Hz. hasta 100 KHz y tensiones desde 71 mV hasta 7 Voltios. Este programa permite medir señales generadas por el generador como canal 1 y una señal que reciba a través del puerto serie como canal 2 (el mismo se encuentra en etapa de prueba). A su vez, tiene algunas características como doble base de tiempo, amplitud y frecuencia de barrido variables, nivel de disparo ajustable (trigger), visualización de un canal u otro, modos suma, resta, "choppeado" y alternado, etc.

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Como ya antes mencionado el osciloscopio es un instrumento complejo capaz de medir o desplegar una amplia variedad de señales. Los subsistemas que constituyen por lo general un osciloscopio son: 1. Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos). 2. Subsistema de deflexión vertical. 3. Subsistema de deflexión horizontal. 4. Fuente de poder. 5. tipos de sondas 6. Circuitos de calibración. Qué parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio Los términos definidos en esta sección nos permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el mercado. Ancho de Banda Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB). Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio. Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div). Velocidad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal. Exactitud en la ganancia Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenua la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error. Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo. Generador de funciones. Un generador de funciones es un instrumento utilizado en la electrónica y sirve para generar o simular señalesespecíficas con determinadas características. Por ejemplo, crear o simular una señal que puede ser cuadrada, sinusoidal, de una determinada frecuencia, y de una determinada amplitud. De esta forma, podemos aplicar esta señal generada a un circuito para ver su respuesta. Entonces, para resumir lo anterior, es un simulador de señales de diferentes características. Un generador de funciones tiene una frecuencia máxima a la cual puede llegar el instrumento, al igual 4

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que una amplitud máxima en volts. Los generadores de funciones más comunes, pueden generar ondas sinusoidales, triangulares y cuadradas. Otros generadores, en cambio, tienen señales programables como por ejemplo la de un electrocardiograma. También, pueden haber instrumentos que permitan la generación de una señal de impulso. A continuación se detallan las partes o los bloques principales de un generador de funciones: 1) Regulador de Frecuencia: En este bloque se regula mediante una perilla, la frecuencia de la señal de salida. Podemos variarla desde 0Hz (onda continua) hasta el máximo que nos permita el instrumento. La calidad del mismo viene dada por muchos parámetros de los cuales este es uno de los más importantes. 2) Regulador de Ciclo de Trabajo y Offset: El primero es para regular ambas mitades del ciclo de la señal de salida y el Offset es para desplazar o mover la onda verticalmente. 3) En este bloque encontramos los números para especificar los valores de la onda de salida y también los multiplicadores de frecuencia que están en Hz, kHz y MHz. 4) Este bloque es el de la señal de salida y consiste en dos conectores BNC.

Bloques o partes de un generador de funciones. Estos son los factores más importantes de un generador de funciones

Objetivos 

Conocer el uso, funcionamiento y partes constitutivas de un osciloscopio de rayos catódicos.

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Conocer el uso de un generador de funciones, así como la manera correcta de trabajar con él junto con el osciloscopio.

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Conocer lo que son los diagramas o figuras de Lissajous.

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Aprender a interpretar los diagramas de Lissajous y su correspondiente uso con respecto a la determinación de los ángulos de fase y las relaciones de frecuencia.

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Medir el ángulo de fase, la frecuencia y la amplitud de una señal periódicað

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Determinar las constantes de tiempo de un sistema de medición de temperatura actuando en un medio. 5

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2. Materiales y Métodos 

Osciloscopio de rayos catódicos de dos canales

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Osciloscopio de rayos catódicos.

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Generador de funciones.

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2 cables de control.

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Recipiente con agua.

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* Aire ambiental

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Termopar tipo k, con cables de conexión al osciloscopio.

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Una cocina eléctrica (pequeña)

Métodos Experimentales. Primera Parte     

Conectar las entradas del osciloscopio canal 1 y canal 2 a las líneas de voltaje de la toma de 220 V ac del laboratorio. Configurar el osciloscopio para generar gráficos de barrido. Encuadre las curvas en la pantalla del osciloscopio. Tomar el periodo de una señal en divisiones de la pantalla y convertir en grados. Tomar el desfase en divisiones de la pantalla y convertir a grados utilizando la relación del periodo.

Segunda Parte 

Para generar las figuras de Lissajous se conectó el generador de funciones en las placas en y del osciloscopio, y el generador de funciones en las placas x; la disposición de los generadores de funciones en las placas x e y, puede ser indistinta, siempre procurando saber en cuál de las placas se conectó la señal de frecuencia conocida.

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Se graduaron los haces de electrones con el divisor de tiempo para que salgan y entren instantáneamente de la pantalla, y para que cada cuadro en el eje de las abscisas represente 1 segundo, y cada cuadro en el eje de las ordenadas represente 5 mV.

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Se varió la frecuencia para generar las figuras, utilizando como frecuencia desconocida la señal del generador.

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Se formaron diferentes figuras y se tomaron las lecturas del número de máximos en x y en y, con el objeto de relacionar las frecuencias y determinar el valor desconocido.

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Para medir el desfazamiento se midió el valor “y-intersección” que es el corte de la elipse con el eje y, luego “ymáx” que es el valor máximo de la elipse, y mediante la siguiente relación se determinaron los ángulos de desfasamiento 6

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Elipse que se forma cuando las frecuencias son iguales

Tercera Parte 

Cargar el programa tiempo de respuesta en la computadora y ejecutarlo.

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Introducir el termopar a la llama del mechero.

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Retire de la llama e introduzca, en la sustancia propuesta, el termopar cuando la temperatura indicada en la computadora sobrepase los 400 ºC.

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Pare el ejecución del programa y grabe la información en un archivo tipo Excel.

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Se conectaron las terminales del termopar al osciloscopio en la entrada vertical.

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Se sensibilizó el instrumento para obtener la respuesta a la frecuencia.

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Se arregló el osciloscopio para que cada cuadro represente 1 seg. Por división.

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Se enfrió el termopar en agua y se anotó el tiempo en que el indicador atravesó aproximadamente el 63.2% del rango total del tiempo de enfriamiento; así como el tiempo total que el termopar se tardó en alcanzar la temperatura ambiente.

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Dichos tiempos representan, el primero la constante de tiempo; y el segundo el tiempo de respuesta del instrumento.

3. Resultados Mediciones de ángulo de fase: A 9

Angulo de fase  (o) 26.38

B 4

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Mediciones de frecuencia: Frec. conocida f (Hz) 60 60 60 60 60

Núm. de picos en X 1 1 1 3 2

Núm. de picos en Y 1 2 3 1 5

Frec. descon. (Hz) 60 120 180 20 150

Mediciones de tiempo de respuesta: Medio

Agua

Núm. de divisiones en la pantalla 206

Tiempo de Resp. t (seg.) 103

Constante de tiempo  (seg.) 83.38

Grafico Temperatura vs Tiempo, del análisis del tiempo de respuesta

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4. Discusión y conclusiones  

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No se pudo apreciar de forma correcta el cambio de fase debido a que las instalaciones eléctricas en el laboratorio no estaban en perfecto estado. De forma análoga, para tomar estas mediciones, hay que procurar estabilizar al máximo las figuras, ya que estas fueron muy cambiantes gracias a los desfases entre las mismas. Para este caso, hay que tratar de poner las señales en fase. Esta práctica me brindó la oportunidad de conocer un método muy simple para determinar una frecuencia desconocida. En mi futura vida ingenieril estaré siempre en la necesidad de calcular frecuencias de vibraciones, movimientos cíclicos, etc., y el método de las figuras de Lissajous, me permitirá, teniendo a mano un osciloscopio y un generador de funciones, calcular datos de cualquier señal con parámetros deconocidos.

Referencias bibliográficas

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Preguntas evaluativas: 1. ¿Qué principio físico utiliza un osciloscopio?. 2. Haga un diagrama de bloques de un CRO.

3. ¿Cuál es la sensibilidad usual de los osciloscopios?. Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div)

4. ¿Cómo mediría usted la frecuencia de vibración de un motor teniendo a la mano un osciloscopio y un generador de funciones?. En el osciloscopio, conecto al eje x la señal que proviene de motor que está vibrando cuya frecuencia es desconocida, y conecto al eje x la señal que proviene del generador de funciones, entonces se procede a variar la frecuencia para poder generar las figuras de lissajous. Conociendo la frecuencia de la señal proveniente del generador de funciones se determina la frecuencia de vibración del motor

5. ¿Cómo se introduce la variable de tiempo en el osciloscopio?. 10

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6. En un CRO se pueden obtener múltiples trazos, de 2 maneras. Indique en que consiste cada una de ellas. 7. Qué es un generador de funciones y para que sirve?. El generador de funciones es un dispositivo que genera señales voltaicas de una amplia gama de formas de onda con frecuencias variables en un intervalo amplio, y sirve para conectar o no la señal de salida de acuerdo con una señal externa.

8. Qué es el generador de barrido? Con qué otros nombres se lo conoce. 9. Cómo se forman los diagramas de Lissajous? Qué se obtiene de ellos. 10. Cuál es el diagrama de Lissajous que se forma cuando las 2 señales tienen igual frecuencia y están en fase (   0 ). 11. Por qué es importante el cálculo de la constante de tiempo con relación a la respuesta del sistema. El cálculo de la constante de tiempo es importante ya que para que un sistema tenga una buena respuesta es necesario obtener como mínimo 5 constantes de tiempo. Esto se da solo si las condiciones son controladas

12. En esta práctica, de qué depende la exactitud de las mediciones efectuadas?. 13. Mencione las diferencias entre un osciloscopio analógico y uno digital.

Anexos

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