7. Proceso de medición
7.4. Calculo de Incertidumbre
Para el cálculo de la incertidumbre se tomó como guía el documento JCM_100_GUM:2008, que establece en su alcance lo siguiente:
“Esta Guía establece reglas generales para evaluar y expresar la incertidumbre de medida, que pueden seguirse para los diversos niveles de exactitud requeridos y en diversos campos, desde el taller hasta la investigación. Por lo tanto, se pretende que los principios de esta Guía sean aplicables a un gran campo de mediciones, incluyendo aquellas necesarias para:
Mantener el control y el aseguramiento de la calidad en la producción;
Cumplir y hacer cumplir con leyes y reglamentos;
Conducir la investigación básica, y la investigación y el desarrollo aplicados en la ciencia y en la ingeniería;
Calibrar patrones e instrumentos y realizar ensayos dentro de un sistema nacional de medidas, con el fin de conseguir trazabilidad a patrones nacionales;
Desarrollar, mantener y comparar patrones de referencia físicos nacionales e internacionales, incluyendo materiales de referencia.” [12]
La asignación y expresión de incertidumbres se realizara siguiendo los criterios de la Guía GUM JCGM_100. [12]
En el cálculo de la incertidumbre de medida y aplicando la Ley de propagación de las varianzas, considerando que todas las magnitudes de entrada son independientes y que Valor de Referencia ≅ Valor Medido, se obtiene para nuestro caso lo siguiente (Contribución a la incertidumbre de tipo A):
= + +
70
Para los casos generales del cálculo de la incertidumbre, hay que tener en cuenta que todas la contribuciones U han de estar expresadas como el tanto por ciento respecto a la lectura del patrón o del equipo a calibrar.
Primero se calcula la desviación típica experimental, obtenida de la ecuación (11).
Contribución a la incertidumbre debida a la calibración del patrón Upatrón. Debido a que el equipo patrón posee un certificado de calibración externo donde viene reflejada su incertidumbre de calibración expandida, expresando su nivel de confianza y su factor de cobertura K, de donde se halla:
=
Ecuación 13
Donde Up viene expresada como la incertidumbre expandida del patrón, tomada del certificado de calibración externo.
Contribución a la incertidumbre debida a la resolución del equipo a calibrar Ures. Esta resolución se encuentra en el manual de especificaciones del fabricante del equipo, designando como a al valor de resolución requerida, considerando la hipótesis de distribución rectangular:
= √
Ecuación 14
No se puede dar una recomendación general para el número ideal de las repeticiones n, ya que éste depende de las condiciones y exigencias (meta para la incertidumbre) de cada medición específica. Hay que considerar que:
Aumentar el número de repeticiones resulta en una reducción de la incertidumbre por repetibilidad, la cual es proporcional a
71
Un número grande de repeticiones aumenta el tiempo de medición, que puede ser contraproducente, si las condiciones ambientales u otras magnitudes de entrada no se mantienen constantes en este tiempo.
En pocos casos se recomienda o se requiere n mayor de 10. Por ejemplo cuando se caracterizan instrumentos o patrones, o se hacen mediciones o calibraciones de alta exactitud.
7.5.
Trazabilidad
“La dirección de la función metrológica debe asegurarse de que todos los resultados de mediciones sean trazables a las unidades de medida del Sistema Internacional SI. La trazabilidad a las unidades del SI debe lograrse por referencia a un patrón primario apropiado o a una constante natural, cuyo valor se conozca en términos de las unidades SI pertinentes y este recomendado por la conferencia General de Pesas y Medidas y el Comité de Pesas y Medidas.
La trazabilidad normalmente se logra por medio de laboratorios de calibración fiables que tengan su propia trazabilidad a patrones de medida nacionales. Por ejemplo, puede considerarse fiable un laboratorio que cumpla los requisitos de la norma ISO/IEC 17025.” [11]
La trazabilidad del equipo Medidor monofásico con inyección de corriente, se ve reflejada en la planilla para instrumentos de medición diseñado para la calibración de este equipo en el ítem de trazabilidad (Ver Anexo 2).
72
8. Conclusiones
Se realizó la implementación de un equipo medidor de energía monofásico utilizando el circuito integrado ADE7758 el cual tiene la función de la medición de energía monofásica y trifásica.
Se implementó un puente H para generar una señal rms cuadrada de +/- 5V sincronizada a 60 Hz, mezclada con la señal sinusoidal de la red eléctrica, generando una carga fantasma con dos rangos de corriente definidos entre 1A a 1.5A y 10A a 12A.
Se implementó un sistema compuesto por componentes análogos para proteger el equipo contra cortocircuitos y conexiones erróneas dentro de las pruebas a medidores de energía, debido a que los componentes análogos no presentan fallas por bloqueos o reseteos, como los pueden presentar microprocesadores. Se desarrolló un aplicativo (CALIPAT) para la calibrar y ajustar las variables de Tensión rms, Corriente rms y Energía activa, por medio del puerto serial donde se puede evidenciar el porcentaje de error en la medida.
Se realizó el procedimiento de verificación de la calibración, tomando como guía los lineamientos referentes a la Norma Técnica Colombiana NTC-ISO 10012, del numeral 7 de la presente norma y obteniendo como resultado la conformidad en la medida del equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente.
73
9. Anexos
9.1.
Anexo 1
PROCEDIMIENTO PARA CALIBRACIÓN Y CONTRASTACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN.
Objetivo:
Describir el procedimiento de calibración, ajuste y verificación de la calibración de los equipos de medición involucrados dentro del proceso de confirmación metrológica, definiendo la frecuencia de ajuste y verificación de la calibración y su criterio de aceptación.
Entradas:
Equipo Patrón de referencia con certificado de calibración vigente, utilizado para calibrar, ajustar el equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente. Frecuencia de verificación de la calibración del equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente.
Salidas:
Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente calibrado y con el resultado de criterio de aceptación.
Alcance:
Este procedimiento aplica para los equipos utilizados para los procesos de pruebas a los medidores de energía residenciales que afecten la correcta medida de los equipos en prueba, mediante comparación con un patrón de energía eléctrica, no aplicable para equipos de alta exactitud.
Se describe la calibración, ajuste y verificación de la calibración del equipo medidor de energía monofásico, con inyección de corriente para comparar la medida de medidores trifásicos y monofásicos residenciales.
Los periodos de verificación están definidos por un intervalo de un mes, o por indicaciones del operador que tenga a su cargo los procesos de verificación.
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Glosario:
Patrón de mediada de referencia: patrón designado para la calibración de otros patrones de magnitudes de la misma naturaleza en una organización o lugar dado [13] (referencia VIM)
Patrón de medida de trabajo: Patrón utilizado habitualmente para calibrar o verificar instrumentos o sistemas de medida [13].
Ajuste de un sistema de medida: Conjunto de operaciones realizadas sobre un sistema de medida para que proporcione indicaciones prescritas, correspondientes a valores dados de la magnitud a medir [13].
Calibración: operación que bajo condiciones especificadas establece, en una primera etapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida, y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas y, en una segunda etapa, utiliza esta información para establecer una relación que permita obtener un resultado de medida a partir de una indicación [13].
Error máximo permitido: valor extremo del error de medida, con respecto a un valor de referencia conocido, permitido por especificaciones o reglamentaciones, para una medición, instrumento o sistema de medida dado [13].
ID ENTRADAS DESCRIPCION DE ACTIVIDADES
SALIDAS RECURSO CONTROL
1. Certificado de Calibración Patrón de medida.
GESTIÓN DE CALIBRACIÓN
A partir del vencimiento de la fecha del certificado de garantía y del certificado de calibración del Patrón de medida, se gestiona la siguiente calibración del equipo en los institutos certificados para calibración de Instrumentos de medición electrónica.
Todas las pruebas de calibración y verificación de la calibración se deben realizar con el patrón de medida que posea el certificado de calibración vigente Patrón de trabajo calibrado. Manual de manejo y preservación. Institutos de calibración de instrumentos de medición electrónica. Certificado de garantía y calibración. Educación y experiencia del responsable para el manejo de instrumentos de medición y seguimiento.
75 2. Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente. CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
Se debe realizar calibración y verificación de la calibración con el equipo patrón de medida que posea certificado de calibración vigente. Los equipos que se les verifique la calibración, que se
encuentren dentro de los
parámetros establecidos del error máximo permitido para esta prueba y que tengan como resultado “Conforme” podrán estar disponibles para su uso. La verificación de la calibración se
debe realizar cada mes,
registrando diez datos por medición en la Planilla de chequeo de Instrumentos de medición. Asignando un número al equipo contrastado.
2.1.1 Si los valores
registrados por los Instrumentos se encuentran dentro del error
máximo permitido con la
incertidumbre asociada de ±2% ir al paso 4.
2.1.2 Si los valores
registrados no se encuentran dentro del error máximo permitido con la incertidumbre asociada ir al paso 3. Comparación de Medidas del equipo Patrón de trabajo contra los equipos a contrastar. Planilla de chequeo para Instrumentos de Medición. 3. Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente.
Numerar e identificar los equipos a los que se les efectúa la verificación de la calibración.
Si la verificación de la calibración del equipo no se encuentra dentro del error máximo permitido, se debe realizar el ajuste de la calibración con el software del equipo (CALI PAT), hasta que el error de sesgo sea menor que el error máximo permitido. Cuando el equipo calibrado y con los resultados de la verificación de la calibración presente fallas de funcionamiento o se encuentre fuera del rango de error máximo permitido, se debe realizar su respectiva revisión y ajuste. Según los resultados de la calibración registrados en la
planilla de chequeo para
instrumentos de medición
contrastación, se debe graficar el resultado de la medición para evaluar el criterio de aceptación del equipo. Equipos ajustados y calibrados dentro del error máximo permitido con su incertidumbre asociada. Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente con el criterio de aceptación “Conforme”. Planilla de chequeo para Instrumentos de Medición.
76
4. Equipo medidor de
energía monofásico
con inyección de
corriente.
Numerar e identificar los equipos calibrados.
Equipos que aprueban la
calibración, se numeran y se identifican con sticker de identificación del procedimiento y sticker color verde, indicando que pueden ser utilizados en el proceso donde serán utilizados. Los datos de la verificación de la calibración deben ser registrarlos en la Planilla de Chequeo para Instrumentos de medición.
En el caso de observarse
adulterado o dañado el sticker de identificación del equipo, es necesario repetir la verificación de
la calibración y evaluar nuevamente el criterio de aceptación. Equipos ajustados y calibrados dentro del error máximo permitido con su incertidumbre asociada Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente con el criterio de aceptación “Conforme”. Planilla de chequeo para Instrumentos de Medición. 5. Equipo medidor de energía monofásico con inyección de corriente. PRESERVACIÓN DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Las mediciones realizadas con los instrumentos de medida no deben superar la escala especificada dentro de las características técnicas del equipo.
Conservación del Equipo Patrón de Medida Funcionarios competentes en el manejo de Instrumentos electrónicos de medición. Educación y experiencia del responsable para el manejo de instrumentos de medición y seguimiento. REGISTROS
No. DOC. TÍTULO
77
80
9.3.
Anexo 3
3/04/2017
Jhon Faber Gutiérrez Farfan Jhon Faber Gutiérrez Farfan Conforme 3/05/2017 Fecha de Calibración: Responsable Calibración: Autoriza Calibración: Estado de Conformidad: Próxima Calibración:
81
Lista de figuras
Figura 1. Amplificador de Ganancia Programable (PGA) en el canal de corriente [5] ... 18
Figura 2 Nivel máximo de señal, en canal de corriente, Gain = 1 [5]. ... 19
Figura 3 Nivel máximo de señal, en canal de voltaje, Gain = 1 [5]. ... 19
Figura 4 Registro análogo Gain [5]. ... 20
Figura 5 Procesamiento de la señal en el canal de corriente [5]. ... 21
Figura 6 Procesamiento de la señal rms de corriente [5]. ... 21
Figura 7 Principio de funcionamiento de un sensor de corriente (di/dt) [5]. ... 22
Figura 8 ADC y el procesamiento de la señal en el canal de voltaje [5]. ... 23
Figura 9 Procesamiento de la señal de voltaje rms [5]. ... 24
Figura 10 Detección de cruce por cero en el canal de voltaje [5]... 25
Figura 11 ADE7758 acumulación de Energía Activa [5]. ... 26
Figura 12 Direccionamiento de Registros ADE7758 a través del Registro de Comunicaciones [5]. ... 28
Figura 13 Lectura de datos del ADE7758 a través de la interfaz serial [5]. ... 28
Figura 14 Escritura de datos en el ADE7758 a través de la interfaz serial [5]. ... 29
Figura 15 Diagrama de tiempos de la escritura a la interfaz serial [5]... 29
Figura 16 Diagrama de tiempos de lectura de la interfaz serial [5]. ... 30
Figura 17 Diagrama de bloques del funcionamiento del equipo medidor de energía monofásico, con inyección de corriente. ... 31
Figura 18 Diagrama esquemático propuesto por el fabricante, para adquisición y funcionamiento del integrado medidor de energía [5]. ... 32
Figura 19 Grafica de selección de resistencia de Burden (Salida de voltaje Vs corriente primaria censada) [6]. ... 34
Figura 20 Circuito de detección de Fase con ángulo desfasado o en fase... 43
Figura 21 Comparación entre dos señales desfasadas 120°. ... 44
Figura 22 Comparación entre dos señales con ángulo de fase igual a 0°. ... 44
Figura 23 Detección de la señal de tensión, donde se acopla un rectificador de onda completa y un circuito inversor a la salida. ... 45
Figura 24 Respuesta del sistema a dos señales de entrada desfasadas 120°. ... 46
Figura 25 Respuesta del sistema a dos señales de entrada en fase a 0°, 120° o 240°. .... 46
Figura 26 Circuito generador de onda cuadrada sincronizado por el cruce por cero. ... 47
Figura 27 Respuesta del circuito detector de cruce por cero. ... 48
82
Figura 29 Respuesta del circuito generador de pulsos con referencia al ciclo positivo de
la señal de entrada de referencia. ... 49
Figura 30 Señal de salida desfasada 180°, para generar pulsos en el ciclo negativo de la onda de entrada. ... 49
Figura 31 Respuesta del circuito generador de pulsos con referencia al ciclo negativo de la señal de entrada de referencia. ... 50
Figura 32 Implementación circuito puente (H). ... 51
Figura 33 Salida de la señal de inyección de corriente rms Vs señal de entrada. ... 52
Figura 34 PCB diseñado para la tarjeta LCD. ... 53
Figura 35 PCB diseñado para la tarjeta principal. ... 53
Figura 36 PCB diseñado para la tarjeta de puente H. ... 54
Figura 37 Circuito para verificación de medidores monofásicos [9]. ... 54
Figura 38 Elementos utilizados para la verificación convencional de medidores de energía [10] ... 55
Figura 39 Fórmula para calcular la potencia instantánea [9]. ... 55
Figura 40 Diagrama de conexión del Equipo Medidor de Inyección de Corriente, en verificación de Medidores de Energía. ... 56
Figura 41 Diagrama de flujo rutina Microcontrolador. ... 58
Figura 42 Software utilizado para la calibración del equipo medidor monofásico... 59
Figura 43 Sistema de medida. ... 66
Figura 44 Conexionado del equipo mesurando para la calibración por comparación con el equipo Patrón. ... 66
83
Lista de ecuaciones
Ecuación 1 ... 12 Ecuación 2 ... 12 Ecuación 3 ... 13 Ecuación 4 ... 14 Ecuación 5 ... 14 Ecuación 6 ... 26 Ecuación 7 ... 26 Ecuación 8 ... 26 Ecuación 9 ... 67 Ecuación 10 ... 68 Ecuación 11 ... 68 Ecuación 12 ... 69 Ecuación 13 ... 70 Ecuación 14 ... 7084
Lista de tablas
Tabla 1 Relación de corriente y carga nominal recomendada Vs modelo de CT [6]... 35
Tabla 2 (0x013) Registro OPMODE [5]. ... 36
Tabla 3 (0x014) Registro MMODE [5]. ... 36
Tabla 4 (0x015) Registro WAVMODE [5]. ... 37
Tabla 5 (0x016) Registro COMPMODE [5]. ... 38
Tabla 6 (0x017) Registro LCYCMODE [5]. ... 39
Tabla 7 (0x018) Función de cada bit en el registro mascara de interrupción MASK [5]... 40
Tabla 8 (0x019) Interrupción del registro estado [5]. ... 41
Tabla 9 Formato de visualización de datos en la pantalla LCD. ... 42
85 Referencias
[1] Ingeniería Electrónica.org, «ingenieriaelectronica.org,» [En línea]. Available:
http://ingenieriaelectronica.org/valor-promedio-valor-maximo-valor-pico-a-pico-y-valor- eficaz/. [Último acceso: 2 11 2016].
[2] Filiu, Luis Miguel Cerdá, Instalaciones Eléctricas y Automatismos, Marid, ESPAÑA: Ediciones Paraninfo S.A., 2014, pp. 2 - 26.
[3] AF, «Así Funciona,» [En línea]. Available:
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_factor_potencia/ke_factor_potencia_3.htm. [Último acceso: 2 11 2016].
[4] ABC, Definición, «Definición ABC,» [En línea]. Available:
http://www.definicionabc.com/tecnologia/energia-electrica.php. [Último acceso: 8 11 2016]. [5] ANALOG DEVICE, «Data Sheet ADE7758, Poly Phase Multifunction Energy Metering,» Inc. All
rights reserved, 2004 - 2011.
[6] TAEHWATRANS, «Ficha Técnica, Total Technology & Solution for Sensing & Monitoring,» Supreme Accuracy CT.
[7] Rectifier, International, «Ficha Técnica IR2110,» International Rectifier IOR.
[8] Recifier, International, «Ficha Técnica MOSFET IRF3205,» International Rectifier IOR. [9] Electrica, Afinidad, «Inspección de Medidores: La Prueba de Potencia,» Afinidad Electrica,
2007.
[10] Ministerio de industria, turismo y comercio, «Procedimiento EL005 Para la calibración de medidores de energía eléctrica,» Centro Español de Metrología, España.
[11] NTC-ISO 10012, «SISTEMAS DE GESTIÓN DE LA MEDICIÓN. REQUISITOS PARA LOS PROCESOS DE MEDICIÓN Y LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN,» ICONTEC, BOGOTA D.C., 2003-06-26.
[12] Centro Español de Metrología, «JCGM 100:2008 Evaluación de datos de medición - Guía para la expresión de la incertidumbre de medida,» España, 2008.
[13] Centro Español de Metrología, «JCGM 200:2012 (VIM) Vocabulario Internacional de Metrología,» España, 3° Edición en español 2012.