Cómo Realizar una Medición de Voltaje

Este documento es parte de la Guía Para Medidas Más Comunes centralizada en este portal de recursos.

Generalidades de la Medición Voltaje

El voltaje es la diferencia del potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico o electrónico, expresado en voltios. Mide la energía potencial de un campo eléctrico para causar una corriente eléctrica en un conductor eléctrico. La mayoría de los dispositivos de medición pueden medir o leer voltaje. Dos mediciones de voltaje comunes, son la corriente directa (CD) y la corriente alterna (CA). Aunque las mediciones de voltaje son las más sencillas de los diferentes tipos de mediciones analógicas, presentan retos únicos debido a las consideraciones que deben hacerse por el ruido.

Vea un video de 60 segundos acerca de cómo hacer una medición de voltaje.

Cómo Realizar Mediciones de Voltaje de CD

Aunque muchos sensores producen voltajes de CD medibles con un dispositivo de adquisición de datos, la preocupación principal de este documento consiste en examinar mediciones generales de CD que no involucran la configuración de un sensor como intermediario.

Fundamentos para Medir el Voltaje

Para comprender cómo medir el voltaje, resulta esencial entender los fundamentos acerca de cómo realizar una medición. Esencialmente, el voltaje es la diferencia del potencial eléctrico entre dos puntos de interés en un circuito eléctrico. Sin embargo, un punto común de confusión es cómo determinar el punto de referencia para la medición. El punto de referencia para la medición es el nivel de voltaje a la cual la medición es referenciada.

Métodos para el Punto de Referencia

Esencialmente existen dos métodos para medir voltajes: referencia a tierra y diferencial.

Medición de Voltaje por Medio de Referencia a Tierra

Un método consiste en medir el voltaje con respecto a un punto común, o a “tierra”. Con frecuencia, esta “tierra” es estable o no cambia y se encuentra comúnmente cercano a los 0 V. Históricamente, el término tierra originado de la aplicación usual de asegurar el potencial del voltaje es en 0 V al conectar la señal directamente a la tierra.

Usted puede utilizar conexiones de entrada referenciadas a tierra para cualquier canal que cumpla con las siguientes condiciones:

• La señal de entrada es de alto nivel (mayor a 1 V)
• Las tapas que conectan a la señal con el dispositivo son menores a 10 ft (3 m)
• La señal de entrada puede compartir un punto de referencia común con otras señales

La referencia a tierra es provisto ya sea por el dispositivo que toma la medición o bien, por la señal externa medida. Cuando la tierra es proporcionada por el dispositivo, la configuración se denomina modo de salida sencilla referenciada a tierra (RSE), y cuando la tierra es proporcionada por la señal, la configuración se llama modo de salida sencilla no referenciada (NRSE).

La mayoría de los instrumentos ofrecen configuraciones similares en sus pines para las mediciones de entrada análoga. El siguiente ejemplo demuestra este tipo de medición utilizando un chasis CompactDAQ de NI y un módulo de entrada analógica 9205 de NI (vea la Figura 1).

Figura 1. Chasis CompactDAQ de NI y Módulo de Entrada Analógica 9205 de NI

La Figura 2 muestra el diagrama de conexión para las mediciones de voltaje RSE utilizando el chasis cDAQ-9172 de NI con el 9205 de NI así como las salidas de los pines para el módulo. En la Figura 2, el Pin 1 corresponde al canal de “Entrada Analógica 0” y el Pin 17 corresponde a la tierra común.

 

Figura 2. Modo de Salida Sencilla Referenciado a Tierra

La Figura 3 muestra el diagrama de conexión para las mediciones de voltaje NRSE utilizando el cDAQ-9172 con el 9205 de NI. En la figura, el Pin 1 corresponde al canal de “Entrada Analógica 0” y el Pin 35 corresponde al canal de “AISENSE”. Este canal, específicamente para mediciones NRSE, puede detector el voltaje a tierra proporcionado por la señal.

 

Figura 3. Modo de Salida Sencillo No Referenciado

Medición de Voltaje por Medio de Diferenciales

Otro método para medir el voltaje consiste en determinar en un circuito eléctrico el voltaje “diferencial” entre dos puntos separados. Por ejemplo, para medir el voltaje a través de un resistor sencillo, puede medir el voltaje en ambos extremos del resistor. La diferencia entre voltaje es el voltaje a través del resistor. Usualmente, las mediciones de voltaje diferencial son útiles para determinar el voltaje que existe a través de los elementos individuales de un circuito, o si las fuentes de la señal son ruidosas.

Usted puede utilizar conexiones de entrada diferencial para cualquier canal que cumple con las siguientes condiciones:

• La señal de entrada es de bajo nivel (menor a 1 V)
• Las tapas que conectan la señal con el dispositivo son mayores a 3 m (10 ft)
• La señal de entrada requiere un punto de referencia a tierra separado o una señal de retorno
• La señal viaja a través de ambientes ruidosos

La figura 4 ilustra el diagrama de conexión para mediciones de voltaje diferencial utilizando un cDAQ- 9172 con un 9205 de NI. En la figura, el Pin 1 corresponde al canal de “Entrada Analógica 0” y el Pin 19 corresponde al canal de “Entrada Analógica 8”.

En modo diferencial, la señal negativa es cableada directamente al pin analógico de frente con el canal analógico conectado a la señal positiva. Por ejemplo, la “Entrada Analógica 0” estaría conectada a la positiva, y la “Entrada Analógica 8” estaría conectada a las señales negativas, y la “Entrada Analógica 1” para la positiva y la “Entrada Analógica 9” para la negativa y así sucesivamente. La desventaja que presenta el modo diferencial es que reduce efectivamente el número de canales de medición de entrada analógica a la mitad.

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Figura 4. Modo Diferencial 

Tipos de Fuentes de Señales

Antes de configurar los canales de entrada y realizar las conexiones de las señales, debe usted determinar si las fuentes de señales están flotando o si están referenciadas a tierra.

Fuentes de Señales Flotantes

Una fuente de señal flotante no está conectada al sistema de construcción a tierra pero tiene un punto de referencia a tierra aislado. Algunos ejemplos de fuentes de señales flotantes son las salidas de los transformadores, termopares, dispositivos potenciados por baterías, aisladores ópticos, y amplificadores de aislamiento. Un instrumento o dispositivo que cuenta con una salida aislada es una fuente de señales flotante. La referencia a tierra de una señal flotante debe conectarse a la tierra del dispositivo para establecer una referencia local o propia para la señal. De lo contrario, la señal de entrada medida varía a medida que flota la fuente fuera del modo común del rango de entrada.

Fuentes de Señales Referenciadas a Tierra

Una fuente de señal referenciada a tierra está conectada a un sistema de construcción a tierra, así que ya se encuentra conectada a un punto de tierra común con respecto al dispositivo, asumiendo que el dispositivo de medición está conectado al mismo sistema de potencia que la fuente. Las salidas de los instrumentos y dispositivos que no están aisladas y que se conectan al sistema de construcción de potencia entran en esta categoría. La diferencia en el potencial a tierra entre dos instrumentos conectados al mismo sistema de construcción de potencia, está típicamente entre 1 y 100 mV, pero la diferencia puede ser mucho mayor si los circuitos de distribución de potencia no están conectados apropiadamente. Si una fuente de señales a tierra se mide de forma incorrecta, esta diferencia puede aparecer como un error en la medición. Seguir con las instrucciones de conexión para las fuentes de señales a tierra, puede eliminar la diferencia del potencial a tierra de la señal medida.

La figura 5 muestra diferentes tipos de fuentes de señales así como los diagramas de conexión óptimos basados en el método de medición individual. Por favor note que dependiendo del tipo de señal, un método de medición de voltaje particular puede entregar mejores resultados que otros.

Figura 5. Tipos de Fuentes de Señales Comunes versus Configuraciones de Entrada Recomendadas

Mediciones y Aislamiento de Alto Voltaje

Existen muchos conflictos a considerar al tomar mediciones de alto voltaje. Al especificar un sistema de adquisición de datos, la primera pregunta que debe formularse es si el sistema será seguro o no. Realizar mediciones de alto voltaje puede dañar su equipo, a la unidad bajo prueba, y hasta a usted y sus colegas. Para asegurarse de que el sistema es seguro, debe colocar una barrera de aislamiento entre el usuario y los voltajes peligrosos con dispositivos de medición aislada.

Aislamiento, una medida para separar física y eléctricamente dos partes de un dispositivo de medición, puede ser de aislamiento eléctrico y seguro. El aislamiento eléctrico pertenece a la eliminación de caminos a tierra entre dos sistemas eléctricos. Al proporcionar aislamiento eléctrico, puede romper las iteraciones a tierra, incrementar el rango del sistema de adquisición de datos en modo común, y nivelar el cambio de la señal de referencia a tierra a un sistema a tierra. Los estándares de referencia de seguridad de aislamiento tienen requerimientos específicos para aislar a los humanos del contacto con voltajes peligrosos. También se caracteriza por la habilidad de un sistema eléctrico para prevenir que los voltajes altos y transitorios sean transmitidos a través de las barreras a otros sistemas eléctricos con los que el usuario pudiera entrar en contacto.

Incorporar el aislamiento con el sistema de adquisición de datos tiene tres funciones primarias: prevenir ciclos de tierra, rechazar los voltajes en modo común, y proporcionar seguridad.

Ciclos de Tierra

Los ciclos de tierra son la fuente de ruido más común en las aplicaciones de adquisición de datos. Ocurren al conectar dos terminales en diferentes potenciales a tierra, causando que la corriente fluya entre dos puntos. La tierra local de su sistema puede estar varios voltios por arriba o por debajo de la tierra del edificio más próximo, y los relámpagos que caigan cercanos puede ocasionar que la diferencia se eleve a varios cientos o miles de voltios. Este voltaje adicional por sí solo, puede causar un error significativo en la medición, pero la corriente que lo causa puede también unir voltajes en los cables cercanos. Estos errores pueden parecer como señales transitorias o periódicas. Por ejemplo, si un ciclo de tierra se forma con líneas de potencia de CA de 60 Hz, la señal de CA no deseada aparece en la medición como un error de voltaje periódico.

Cuando existe un ciclo de tierra, el voltaje medido, Vm, es la suma del voltaje de la señal, Vs, y la diferencia del potencial, Vg, la cual existe entre la fuente de señal a tierra y el sistema de medición a tierra (vea la Figura 6). Este potencial generalmente no es un nivel de CD; por tanto, el resultado es un sistema de medición ruidoso que muestra frecuentemente en las lecturas componentes de frecuencia en la línea de potencia (60 Hz).

Figura 6. Una Fuente de Señales a Tierra Medida con un
Sistema Referenciado a Tierra Introduciendo Ciclos de Tierra

Para evitar los ciclos de tierra, asegúrese que solo hay una referencia a tierra en el sistema de medición, o utilice hardware de medición aislada. Al utilizar hardware aislado se elimina el camino entre la tierra de la fuente de señales y el dispositivo de medición, previniendo el flujo de cualquier corriente entre múltiples puntos a tierra.

En la configuración CompactDAQ de NI, previamente mencionada, el módulo de entrada analógica 9229 de NI proporciona 250 V de aislamiento de canal a canal.

Figura 7. Módulo de Entrada Analógica Aislada de Canal a Canal 9229 de NI

Voltaje en Modo Común

Un sistema de medición diferencial ideal responde solamente a la diferencia de potencia entre sus dos terminales, las entradas (+) y (-). El voltaje diferencial a través del par de circuitos es la señal deseada, aunque puede existir una señal no deseada común en ambos lados del par de circuitos diferencial. Este voltaje se conoce como voltaje en modo común. Un sistema de medición diferencial ideal rechaza completamente, en vez de medir, el voltaje en modo común. Los dispositivos prácticos, sin embargo, presentan varias limitaciones, descritas por parámetros como el rango de voltaje en modo común y el índice de rechazo de modo común (CMRR), el cual limita la habilidad para rechazar el voltaje en modo común.

El rango de voltaje en modo común se define como el cambio de voltaje máximo permitido en cada entrada con respecto a la medición del sistema a tierra. Al violar esta restricción resulta no solo en un error de medición, también en un posible daño a los componentes del tablero.

El índice de rechazo en modo común describe la habilidad de un sistema de medición para rechazar voltajes en modo común. Los amplificadores con índices mayores para rechazar el modo común son más efectivos para rechazar voltajes en modo común.

En un sistema de medición diferencial que no está aislado, aún existe en el circuito un camino eléctrico entre la entrada y la salida. Por tanto, las características eléctricas del amplificador limitan el nivel de la señal en modo común que puede aplicar a la entrada. Con el uso de amplificadores de aislamiento, se elimina la conducción del camino eléctrico y se ve incrementado dramáticamente el índice de rechazo de modo común.

Topologías de Aislamiento

Resulta importante comprender la topología de aislamiento de un dispositivo al configurar el sistema de medición. Las diferentes topologías tienen distintas consideraciones asociadas al costo y velocidad.

Canal a Canal
La topología de aislamiento más robusta es el aislamiento canal a canal. En esta topología, cada canal se aísla individualmente uno de otro y de otros sistemas que no están aislados. Adicionalmente, cada canal cuenta con su propia fuente de potencia aislada.

En términos de velocidad, existen varias arquitecturas de las cuales elegir. El utilizar un amplificador de aislamiento con un convertidor analógico a digital (ADC) por canal es típicamente más rápido ya que puede tener acceso a todos los canales de forma paralela. Los módulos de entrada análoga 9229 de NI y 9239 de NI proporcionan aislamiento de canal a canal para entregar la mayor exactitud en cuanto a su medición.
Una arquitectura mucho menos costosa pero más lenta involucra un multiplexor en cada canal de entrada aislado a un solo ADC.
Otro método para proporcionar aislamiento de canal a canal es utilizar una fuente de potencia aislada común para todos los canales. En este caso, el rango de modo común de los amplificadores está limitado a los rieles de esa fuente de potencia, a menos que utilice atenuadores en el extremo frontal.

Banco

Otra topología de aislamiento involucra bancar, o agrupar, varios canales para compartir un solo amplificador de aislamiento. En esta topología, la diferencia de voltaje en modo común entre canales es limitado, pero el voltaje en modo común entre el banco de canales y la parte no aislada del sistema de medición puede ser grande. Los canales individuales no son aislados, pero los bancos de canales se aíslan unos de otros de otros bancos y de la tierra. Esta topología es una solución de aislamiento de menor costo debido a que este diseño comparte un solo amplificador de aislamiento y fuente de potencia.
La mayoría de los módulos de la Serie C de NI, como el 9201 de NI y el 9221 de NI, son aislados por bancos y pueden proporcionar mediciones analógicas exactas a un menor costo.

Visualizando su Medición: LabVIEW de NI

Una vez conectado el sensor al instrumento de medición, puede usted utilizar el software de programación gráfica LabVIEW para visualizar y analizar los datos que requiera (vea la figura 9).

 

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Figura 9. Medición de Voltaje con LabVIEW

 

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