Mediciones precisas: limitaciones básicas

Este y los siguientes dos artículos contienen información extremadamente importante para cualquier persona que esté, aunque sea un poco, interesada en mediciones precisas. Estas no son pautas para diseñadores. Esta es una ciencia popular, tan accesible como sea posible, presentación de los principales factores que limitan la precisión.

Piotr Górecki – divulgador de electrónica. Actualmente publica su propia revista "Entendiendo la Electrónica". Anteriormente, durante muchos años, fue el Editor en Jefe de una popular revista polaca (Electrónica para Todos). También es autor de cientos de artículos y proyectos educativos. Hasta 1993, trabajó en la industria de telecomunicaciones.

Este artículo es el quinto de una serie sobre medición y precisión de mediciones. La serie comenzó con material introductorio contenido en el artículo Precisión y rango de medición en electrónica. En artículos posteriores, discutimos varios temas relacionados con la precisión. Entre otras cosas, se afirmó que la frecuencia y el tiempo pueden medirse con una precisión o más bien incertidumbre incluso mucho mejor que 10-12, es decir, 0.000001 ppm = 0.0000000001%. Mientras tanto, el voltaje y la resistencia pueden medirse en el laboratorio con una precisión (incertidumbre) ligeramente mejor que 10-9, en otras palabras, 0.001 ppm, o 0.0000001%.

Preguntas muy importantes son: ¿Se pueden hacer mediciones incluso más precisas? ¿Están los límites definidos por las posibilidades técnicas actualmente disponibles? ¿Permitirá el progreso técnico que estos límites se empujen gradualmente y sin restricciones cada vez más lejos, permitiendo mediciones cada vez más precisas? ¿O ya hemos alcanzado límites insuperables determinados por leyes físicas fundamentales, haciendo que el progreso adicional sea imposible o muy limitado? Esto, sin embargo, solo concierne a los mejores laboratorios y al mejor y más caro equipo profesional.

¿Qué pasa con los aficionados? ¿Con qué máxima precisión puede medir un aficionado moderno y moderadamente adinerado?

En el artículo Precisión y exactitud en la práctica del aficionado, indicamos que en la gran mayoría de los casos, un entusiasta de la electrónica no necesita medir con una precisión mayor al 1%. Generalmente, no lo necesita, pero en primer lugar, en ciertos casos se requieren mediciones más precisas. En segundo lugar, muchos de nosotros simplemente quisiéramos medir todo con la mayor precisión posible. En tercer lugar, con la amplia disponibilidad del mercado hoy en día, cada vez más personas están interesadas en la precisión real de sus instrumentos de medición, especialmente multímetros. Cada vez más, las personas prestan atención no a la apariencia atractiva de un multímetro, sino a sus parámetros, incluida la precisión. Queremos comprar medidores con parámetros técnicos realmente buenos y, lo más importante: queremos verificar la precisión de los medidores que poseemos.

Dentro de la iniciativa Entendiendo la Electrónica, abordaremos estos temas de la manera más práctica posible. Por lo tanto, los artículos muestran las capacidades y limitaciones de varios medidores. Sin embargo, en este artículo y en los relacionados, discutiremos las principales limitaciones de precisión que ocurren en condiciones de taller, especialmente en las amateur.

Muchos entusiastas de la electrónica desearían realizar las mediciones más precisas posibles. ¡Y es posible! Posible, pero bajo ciertas condiciones: uno debe entender las causas y fuentes de errores e incertidumbres para poder eliminarlos. Aquí están los detalles más importantes.

Limitaciones de precisión económica

Hemos señalado preliminarmente que la limitación básica en la práctica es el precio. En términos simples, un buen medidor preciso debe contener componentes de alta calidad. Esto no se puede decir de los medidores que cuestan unas pocas decenas de zlotys de marcas desconocidas.

Un multímetro moderno es esencialmente un voltímetro de corriente continua (mili)volt, que, con la participación de varios circuitos auxiliares: divisores, amplificadores, convertidores, mide un amplio rango no solo de voltaje y corriente de CC, sino también (gracias a circuitos adicionales) voltaje y corriente de CA, resistencia y capacitancia. Por lo tanto, la precisión de un multímetro depende en gran medida, ante todo, del (mili)voltímetro empleado. Este milivoltímetro es una especie de convertidor analógico a digital (ADC), que coopera con una fuente de voltaje de referencia.

En los medidores más baratos, a menudo se utiliza un circuito integrado ICL7106 o uno relacionado, donde la fuente de voltaje de referencia está integrada en el circuito integrado. Los mejores medidores utilizan varios otros (mili)voltímetros integrados. Algunos tienen la fuente de voltaje de referencia integrada en el circuito integrado ADC, en otros hay un ADC separado y una fuente de voltaje de referencia separada.

La Foto 1 muestra casi todos los componentes electrónicos de un multímetro de presupuesto (costo alrededor de 100 PLN), que, aparte del procesador especializado (bajo la resina negra) y la memoria 24C02A, contiene una fuente de voltaje de referencia ICL8069.

En términos simples, cuanto mayor sea la precisión requerida, mejor y más caro deben ser tanto el ADC como la fuente de voltaje de referencia. Hoy en día, los convertidores integrados de 24 bits o incluso de 32 bits (Figura 2) están fácilmente disponibles. Por supuesto, son bastante caros: los mejores cuestan tanto como todo el medidor mostrado en la Foto 1 y tampoco son perfectos, siendo sus principales problemas la linealidad imperfecta y el ruido.

Las fuentes de voltaje de referencia más baratas se pueden comprar por un zloty o incluso menos, mientras que el mejor circuito integrado de referencia de voltaje LTZ1000 que se produce en serie actualmente cuesta varios cientos de zlotys en venta. Para permitir que el (mili)voltímetro integrado mida en varios rangos, se necesitan divisores y shunts—resistencias. Los llamados resistores "de precisión" son ridículamente baratos, especialmente en versiones SMD. Sin embargo, los mejores resistores producidos en serie (los de metal-foil herméticos) cuestan varios cientos de zlotys cada uno. Los multímetros más precisos contienen muchos de esos resistores caros, lo que ya explica qué constituye el precio de tales instrumentos, que a menudo alcanza varios miles de dólares.

Un multímetro también debe contener otros circuitos, como convertidores o amplificadores. Un componente esencial es un convertidor de formas de onda de CA a CC. Anteriormente, esto se llamaba un "rectificador", y en multímetros baratos aún se utilizan rectificadores simples, a menudo rectificadores activos. En casos extremos, tales soluciones primitivas hacen imposible medir corrientes de CA.

A veces, un rectificador activo se puede construir a partir de un barato amplificador operacional LM358. Sorprendentemente, esto proporciona parámetros bastante buenos para una solución tan barata. Desafortunadamente, tales rectificadores de promediado no miden correctamente formas de onda distorsionadas, sino solo ondas sinusoidales; por lo tanto, los mejores medidores utilizan varios convertidores de verdadero RMS. Convertidores más baratos y más caros dependiendo de la precisión y el rango de frecuencia.

La información proporcionada señala que no existen multímetros ideales. Aquellos cercanos a lo ideal son terriblemente caros, y todos los demás son el resultado de numerosos compromisos que, entre otras cosas, limitan la precisión. Sin embargo, hay buenas noticias: un aficionado modesto contemporáneo puede medir con gran precisión, pero debe tener el conocimiento apropiado, principalmente sobre las limitaciones. Entonces pueden aprovechar al máximo lo que tienen disponible y evitar trampas resultantes de suposiciones erróneas.

¿Es la tolerancia lo más importante?

Los menos informados consideran que la tolerancia es el problema más importante, es decir, aproximadamente la máxima desviación permisible del valor nominal. Esto concierne principalmente a resistores.

Hay muchos resistores en los medidores. En la práctica, ninguno de ellos tiene un valor nominal indicado en la carcasa, lo que indudablemente afecta la precisión del medidor. La fuente de voltaje de referencia también tiene alguna tolerancia no nula. Las desviaciones relacionadas con la tolerancia también se pueden encontrar en otros circuitos del medidor.

Al mismo tiempo, la noción de que la tolerancia de los componentes es la causa fundamental de la mala precisión de los instrumentos de medición es completamente errónea. ¡El problema de la tolerancia podría eliminarse por completo! Por ejemplo, complicando el circuito y añadiendo elementos de corrección, en el caso más simple, potenciómetros ajustables. También se utilizaron en medidores baratos. Un ejemplo se muestra en la Foto 3, donde un viejo multímetro muestra cinco trimmers. La presencia de tales circuitos de corrección, por supuesto, eleva el precio del instrumento. Parece que cuanto más potenciómetros haya, mayor precisión se puede obtener en varios rangos y funciones. Anteriormente, tales conclusiones eran correctas.

Anteriormente sí, pero hoy definitivamente no. Hay que saber que hoy se utilizan otros métodos de corrección, que prácticamente no aumentan el costo, al menos el costo de los materiales. En los multímetros modernos, no hay potenciómetros de ajuste en absoluto, como en la anterior Foto 1, donde la información de corrección se almacena en la memoria Flash 24C02. Esto es muy bueno, no solo por los costos de los componentes. En tales medidores, el problema de la tolerancia podría eliminarse completamente de forma digital.

Los mejores medidores contienen un ADC y un microprocesador clásico, o su circuito integrado principal es un microprocesador especializado con un ADC preciso y varios circuitos auxiliares, incluido un convertidor de verdadero RMS incorporado. Lo más importante es que los datos digitales del ADC, antes de ser enviados a la pantalla, son procesados por el programa del microprocesador. Después de la producción, se pueden aplicar voltajes y corrientes de referencia a sus entradas para llevar a cabo e introducir una corrección de software para que la pantalla muestre resultados correctos. De manera similar, los resultados de medición de resistencia resistencia, capacitancia y posiblemente otras cantidades pueden ser corregidos.

La corrección de software puede ajustar las indicaciones en todos los rangos y funciones del multímetro, lo que permite eliminar completamente el efecto de la tolerancia de los componentes en el sistema.

Por supuesto, esto requiere tiempo y equipo adecuado. Desde el punto de vista del hardware, el medidor es entonces mucho menos complicado, pero se suma el costo de la calibración que consume tiempo y el equipo necesario. Por lo tanto, en la práctica, debido a los costos laborales y de tiempo, la calibración de software en instrumentos más baratos no es completa, sino que, digamos, se realiza solo en algunos rangos.

En cualquier caso, una calibración de software completa podría eliminar por completo el problema de la tolerancia, es decir, la variación de parámetros entre unidades individuales. Podría, pero no resuelve en absoluto los problemas de precisión más importantes de los medidores.

Problema serio – estabilidad térmica

Los entusiastas de la electrónica algo más experimentados saben que la temperatura afecta significativamente los parámetros de prácticamente todos los componentes electrónicos. Esto incluye resistores, capacitores, y fuentes de voltaje de referencia. También saben que estos cambios son repetibles, caracterizados por parámetros llamados coeficientes térmicos (de resistencia, capacitancia, voltaje), expresados en porcentaje o partes por millón por grado Celsius (%/°C, ppm/°C).

Aquí, debe recordarse que 1 ppm es 0.0001%, por lo que aparentemente es muy pequeño. En artículos anteriores, señalamos que los mejores multímetros miden voltajes de CC y resistencias con una precisión, o más bien incertidumbre, del orden de precisamente 1 ppm (10^-6).

Una idea preliminar de cuán difícil es lograr esto la proporcionan los resistores. Es bien sabido que los populares resistores de tolerancia del 1% (±1%), a menudo llamados de precisión, generalmente tienen un coeficiente térmico de resistencia (TCR) de hasta 100 ppm/°C, más precisamente ±100 ppm/°C. El efecto de temperatura no se puede ignorar si queremos medir con la mayor precisión posible en un rango de temperatura, digamos de +15 °C a al menos +30 °C, que puede ser la temperatura extrema en interiores en la que se realizan las mediciones. En condiciones de campo, la temperatura ambiente puede estar por debajo de cero. ¡Entonces el rango de cambio de temperatura esperado será de más de 30 grados! Un resistor "de precisión" con TCR = 100 ppm/°C cambiará su resistencia en 1500 ppm o 0.15% durante un cambio de 15 grados Celsius.

Recordemos que un medidor de 4.5 dígitos (0...19999) tiene una resolución de 0.005%, o 50 ppm. Si este multímetro utilizara resistores "de precisión" con TCR = ±100 ppm/°C, entonces los mencionados cambios de temperatura podrían desplazar las lecturas en ±1500 ppm, es decir, ±0.15%. Esto significa destruir la precisión incluso si el instrumento fue calibrado después de la producción.

Ya está claro que para mediciones verdaderamente precisas se necesitan resistores significativamente mejores. Como primera aproximación, se puede suponer que el coeficiente térmico TCR de los mejores y más caros resistores es de aproximadamente 1 ppm/°C. Los catálogos enumeran resistores con valores de TCR aún mejores, hasta 0.2 ppm/°C o incluso menos.

Sin embargo, debe recordarse que el coeficiente TCR no es el problema más importante en absoluto. En primer lugar, el coeficiente térmico, incluso en forma polinómica, podría tenerse en cuenta y su influencia eliminada realizando una calibración programática del instrumento a diferentes temperaturas. Con los medios técnicos modernos, esto está disponible incluso para aficionados y a veces es utilizado por ellos.

En segundo lugar, el problema de la influencia de la temperatura podría eliminarse colocando el instrumento en un termostato realmente bueno. Muchos instrumentos de medición de laboratorio utilizan termostatos. Algunos estabilizan la temperatura a centésimas de grado Celsius. Los aficionados también pueden construir termostatos efectivos y precisos.

Sin embargo, incluso la eliminación efectiva de los cambios de temperatura ambiente no resuelve el problema de mediciones realmente precisas y su fiabilidad. Ni la tolerancia ni la influencia de la temperatura son los mayores problemas. Estos son problemas elementales, al menos aproximadamente conocidos por la mayoría de los entusiastas de la electrónica. Para mediciones verdaderamente precisas, otros problemas tienen una importancia práctica mucho mayor. Comenzaremos a discutirlos en el próximo artículo. ©

Piotr Górecki

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