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DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO MEDIDOR DE ENERGÍA
MONOFÁSICO, CON INYECCIÓN DE CORRIENTE PARA CONTRASTAR
MEDIDORES TRIFÁSICOS Y MONOFÁSICOS RESIDENCIALES
JHON FABER GUTIÉRREZ FARFÁN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2017
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO MEDIDOR DE ENERGÍA
MONOFÁSICO, CON INYECCIÓN DE CORRIENTE PARA CONTRASTAR
MEDIDORES TRIFÁSICOS Y MONOFÁSICOS RESIDENCIALES
JHON FABER GUTIÉRREZ FARFÁN
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero en Control
Director: Ing. RAFAEL ALBERTO FINO SANDOVAL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2017
3
HOJA DE ACEPTACIÓN
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO MEDIDOR DE ENERGÍA
MONOFÁSICO, CON INYECCIÓN DE CORRIENTE PARA CONTRASTAR
MEDIDORES TRIFÁSICOS Y MONOFÁSICOS RESIDENCIALES
Observaciones.
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Director del Proyecto
Ing. Rafael Alberto Fino Sandoval.
________________________________
Jurado 1
________________________________
Jurado 2
Fecha de presentación: Septiembre 20 de 2017.
4
Tabla de contenido
Resumen ............................................................................................................................................. 7
1. Introducción ............................................................................................................................ 8
2. Generalidades ......................................................................................................................... 9
2.1. Planteamiento del problema ..................................................................................... 9
2.2. Justificación ............................................................................................................... 10
3. Objetivos ............................................................................................................................... 11
3.1. Objetivo general ........................................................................................................ 11
3.2. Objetivos específicos ............................................................................................... 11
4. Marco Teórico ....................................................................................................................... 12
4.1. Definiciones Generales ............................................................................................ 12
4.1.1. Valor Eficaz o rms ..................................................................................................... 12
4.1.2. Potencia Activa.......................................................................................................... 13
4.1.3. Potencia Reactiva o Inductiva ................................................................................ 13
4.1.4. Potencia Aparente o Total ....................................................................................... 14
4.1.5. Energía Eléctrica ....................................................................................................... 15
4.2. Medidor de Energía................................................................................................... 16
4.2.1. De acuerdo con la construcción ............................................................................ 16
4.2.2. De acuerdo a la energía que miden ....................................................................... 16
4.2.3. De acuerdo a la exactitud que miden .................................................................... 17
4.3. Chip Integrado Medidor de Energía ADE7758 ..................................................... 17
4.3.1. Descripción general ................................................................................................. 17
4.3.2. Entradas análogas .................................................................................................... 18
4.3.3. Canal de corriente ADC ........................................................................................... 20
4.3.3.1. Cálculo del valor rms de la corriente .................................................................... 21
4.3.4. Sensor de corriente e integrador digital (di/dt). .................................................. 22
4.3.5. Canal de voltaje ADC................................................................................................ 23
5
4.3.5.1. Cálculo del valor rms del canal de voltaje ........................................................... 24
4.3.6. Detección de cruce por cero ................................................................................... 25
4.3.7. Calculo de la Energía activa ................................................................................... 26
4.3.8. Interfaz serial ADE7758 ............................................................................................ 27
4.3.8.1. Operación de escritura serial ................................................................................. 29
4.3.8.2. Operación de lectura serial ..................................................................................... 30
5. Diseño e implementación del Hardware ................................................................................ 31
5.1. Acondicionamiento de señales .............................................................................. 32
5.2. Sensor de corriente .................................................................................................. 33
5.2.1. Ficha técnica sensor de corriente CT (TZ77V/L)................................................ 34
5.3. Procesamiento de señales ...................................................................................... 35
5.3.1. Registro de modo operativo OPMODE ................................................................. 35
5.3.2. Registro de modo de medida.................................................................................. 36
5.3.3. Registro de modo de forma de onda ..................................................................... 37
5.3.4. Registro de modo computacional ......................................................................... 38
5.3.5. Registro del modo del ciclo de línea. .................................................................... 39
5.3.6. Registro de mascara de interrupción.................................................................... 39
5.3.7. Registro de estado de interrupción / Registro de estado de reset
interrupción ............................................................................................................................... 40
5.3.8. Registros de procesamiento de datos .................................................................. 41
5.3.9. Visualización parámetros medidos (LCD). ........................................................... 42
5.4. Detector de Voltaje y sincronización de la señal rms ........................................ 42
5.5. Etapa de potencia (Puente H), para generar corriente rms .............................. 47
5.6. Descripción de funcionamiento del equipo Medidor de Energía Monofásico
con Inyección de Corriente .................................................................................................... 54
5.7. Descripción del Software Implementado en el Microcontrolador ................... 57
5.7.1. Control del sistema de medida con el microcontrolador. ................................. 57
5.8. Software de parametrización y calibración.......................................................... 58
6
6. Confirmación metrológica y realización de los procesos de medición (Según la NTC-ISO
10012). 60
6.1. Intervalos de confirmación metrológica ............................................................... 61
6.2. Control de ajustes del equipo ................................................................................ 61
6.3. Registros del proceso de confirmación metrológica......................................... 63
7. Proceso de medición ...................................................................................................... 64
7.1. Diseño del proceso de medición ........................................................................... 65
7.2. Realización del proceso de medición ................................................................... 66
7.3. Toma y tratamiento de Datos.................................................................................. 67
7.4. Calculo de Incertidumbre ........................................................................................ 69
7.5. Trazabilidad ................................................................................................................ 71
8. Conclusiones .................................................................................................................. 72
9. Anexos ........................................................................................................................... 73
9.1. Anexo 1 ....................................................................................................................... 73
9.2. Anexo 2 ....................................................................................................................... 77
9.3. Anexo 3 ....................................................................................................................... 80
Lista de figuras .................................................................................................................................. 81
Lista de ecuaciones ........................................................................................................................... 83
Lista de tablas ................................................................................................................................... 84
Referencias ....................................................................................................................................... 85
7
Resumen
En el documento se describe el desarrollo e implementación de un equipo que posee
la capacidad de medir variables de Voltaje rms, corriente rms y energía aparente,
utilizando un integrado de alta precisión, especializado en la medición de energía
trifásica. El equipo tiene la capacidad de generar su propia corriente de manera
autónoma en dos niveles de corriente +/- 1A y +/- 10A, para realizar pruebas enfocadas
a los medidores de energía de usuarios residenciales de manera simple. Con el
beneficio de suprimir la necesidad de elementos adicionales (amperímetros,
voltímetros, cronómetros etc.) durante los procedimientos tradicionales utilizados para
la verificación de los medidores de energía, logrando minimizar el error de apreciación
humana durante la medición con los elementos antes mencionados.
En la actualidad los equipos patrones comerciales de verificación y contraste de
energía, son de un alto costo para ser utilizados en las actividades de pruebas a los
equipos de medida residenciales, siendo necesario adicionar una carga resistiva de
construcción casera y provocando un alto riesgo de quemaduras al personal técnico
que manipula estos equipos (quemaduras generadas por el calor emanado de las
resistencias utilizadas), adicionalmente el tamaño de estos equipos genera dificultades
en los desplazamientos del personal. En la actualidad en el mercado existen cargas
resistivas de alto costo y muy susceptible a daños por conexiones erróneas o
accidentales. Por esta razón se diseñó un equipo con su propia carga integrada,
teniendo control sobre la inyección de corriente, con las protecciones necesarias para
evitar daños contra conexiones erróneas y evitando fallas graves sobre el equipo.
8
1. Introducción
En este proyecto se ha diseñado un equipo medidor de energía monofásico, con el
objetivo de verificar variables de tensión, corriente y energía, para ser utilizado en la
contrastación de medidores de energía residencial, en conjunto con los procesos de
recuperación de perdida de energía de la empresa de Energía de Boyacá, a cargo de
la firma contratista EDEC S.A. Este equipo será asignado al personal para las labores
de verificación de medidores de energía.
Por esta razón se ha contemplado un equipo portátil (de poco tamaño y peso), que
contiene un medidor de energía monofásico, que brinde una alta exactitud para
contrastar las variables medidas y que tiene incluido su propio circuito de inyección de
corriente, en dos escalas de 1 y 10A, con un bajo consumo de energía para el usuario.
Uno de los grandes retos para este proyecto, es hacer que el equipo diseñado tenga
una alta confiabilidad al momento de realizar las pruebas, que esté exento a daños por
corto circuito en conexiones incorrectas, generadas por distracción de los operadores
de este equipo.
9
2. Generalidades
2.1. Planteamiento del problema Tomando como base la publicación de la CIRCULAR INTERNA INFORMATIVA SSPD
(Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios) No. 11 DE 2004. Procedimiento
típico de verificación y diligenciamiento del acta), por lo cual se constituye que las
empresas prestadoras del servicio de energía eléctrica tomen medidas de control y
verificación de los equipos de medida instalados en los predios residenciales de los
usuarios. Partiendo de esta publicación, como la base por la cual se quiere ofrecer una
solución para agilizar el trabajo en terreno del personal técnico, que realiza la
verificación de los equipos de medida del usuario final (medidores de energía
residenciales), y dentro de las labores habituales de recuperación de pérdidas de
energía propuestas por las empresas de energía del país.
En la actualidad las actividades que realizan las Empresas de Energía Eléctrica de
Colombia, contemplan en uno de sus procedimientos, la verificación de los equipos de
medida (Medidor de energía Eléctrica) de los usuarios residenciales. Estas actividades
se realizan de manera poco confiable, utilizando pinzas Voltiamperimétricas para medir
tensión y corriente, adicionalmente se contabiliza el tiempo de la prueba con un
cronometro, determinando el valor de la energía consumida por el usuario en Kwh. De
esta forma se contrasta el valor obtenido en la prueba, y contrastado contra el valor
obtenido por los equipos de medida. Obteniendo el porcentaje de error entre el equipo
y la prueba realizada. Con estos resultados se genera el criterio de rechazo o
aceptación del equipo, evitando perdida de energía a favor o en contra del usuario.
En las empresas que realizan esta labor, requieren este tipo de equipos electrónicos
(patrones de medida), para contrastar las mediciones de manera más simple y
eficiente, mejorando los tiempos de las pruebas, optimizando este proceso y
aumentando sus ingresos al mejorar esta actividad.
En algunos casos al realizar estas pruebas, es necesario acoplar una carga resistiva,
lo suficientemente grande para obtener una medición más eficaz, dentro del resultado
de la prueba. Algunas empresas ensamblan estas cargas de construcción casera y de
alto consumo energético. También se encuentran en el mercado cargas fantasmas que
generan varios valores de corriente, con un bajo consumo energético.
10
2.2. Justificación
Para las Empresas de Energía Eléctrica, las pruebas de contrastación para medidores
de energía residenciales, son de uso cotidiano y representan un alto grado de inversión
de tiempo para la ejecución de estas actividades, ocasionándose frecuentes fallas de
apreciación en los resultados obtenidos, tornando las pruebas erróneas siendo es
necesario repetir la prueba de medición nuevamente, ocasionando una pérdida
considerable de tiempo en la ejecución de este tipo de actividades.
Evaluando otro plano, hay empresas que adquieren equipos Patrones de medida para
estas actividades, pero por el alto costo de estos equipos y adicionalmente el alto grado
de susceptibilidad a daños en los equipos, no es posible que las empresas puedan
dotar con estos equipos a todos los grupos de trabajo que lo requieren para estas
labores.
Por esta razón el diseño e implementación de este prototipo, es de vital importancia
para obtener mayor productividad en el desarrollo de estas actividades de
contrastación de medidores de energía, llevando a las entidades a acceder a un equipo
de bajo costo y mejorando la efectividad, con resultados en un rango de exactitud
óptimo para el desarrollo de estas pruebas.
11
3. Objetivos
3.1. Objetivo general
Diseñar e implementar un equipo medidor de energía monofásico con una fuente de
inyección de corriente para la contrastación de la medida de medidores trifásicos y
monofásicos residenciales.
3.2. Objetivos específicos
Implementar un medidor de energía monofásico utilizando un circuito integrado
específico para este propósito.
Diseñar una fuente de corriente en dos rangos definidos entre 1 a 1.5A y 10 a 12A
para generar una onda cuadrada a 60 Hz, para simular la inyección de una carga
fantasma en medidores de energía.
Implementar un sistema para proteger el equipo contra cortocircuitos y conexiones
erróneas dentro de las pruebas a medidores de energía.
Desarrollar un aplicativo de calibración para ajustar las variables de Tensión rms,
Corriente rms y Energía activa.
Implementar los métodos y procedimientos referentes a la Norma Técnica
Colombiana NTC-ISO 10012, tomando como base el numeral 7 de la presente
norma.
12
4. Marco Teórico
En este capítulo se definen términos usados frecuentemente referentes a medidores
de energía eléctrica. Se define el funcionamiento del integrado de propósito específico,
utilizado para la medición de energía activa. También se realiza una descripción del
proceso de inyección de corriente diseñada.
4.1. Definiciones Generales
4.1.1. Valor Eficaz o rms El valor eficaz o también llamado rms (Root Mean Square – Raíz Media Cuadrática)
como su nombre lo indica intenta encontrar un valor que sea eficiente, esto se puede
notar claramente cuando se dice que una casa está alimentada a 110 V, que la casa
este alimentada a ese voltaje implica que el valor suministrado es eficaz. Además de
esta definición, también se puede llegar a la conclusión de que el valor rms es el valor
del voltaje o corriente en Corriente alterna que produce un efecto de disipación de calor
que su equivalente de voltaje o corriente directa. [1]
El valor eficaz de la intensidad i(t) es el valor cuadrático medio:
Ecuación 1
Donde:
T es el periodo de la señal.
Análogamente, el valor eficaz de la tensión es:
[2]
Ecuación 2
13
4.1.2. Potencia Activa Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente
alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá
que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se
representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el vatio (W).
Los múltiplos más utilizados del vatio son: el kilo vatio (kW) y el mega vatio (MW) y los
submúltiplos, el mili vatio (mW) y el micro vatio ( W).
La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico
cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente
alterna es la siguiente:
Ecuación 3
De donde:
P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en vatio (W).
I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A).
Cos = Valor del factor de potencia o coseno de “fi”.
(En los dispositivos que poseen solamente carga resistiva, el factor de potencia es
siempre igual a “1”, mientras que en los que poseen carga inductiva ese valor será
siempre menor de “1”). [3]
4.1.3. Potencia Reactiva o Inductiva Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas
cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier
otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados. Esos dispositivos no sólo
consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia
reactiva.
La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los
dispositivos que poseen enrollados de alambre de cobre, requieren ese tipo de
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potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de
medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).
La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la
siguiente:
Ecuación 4
De donde:
Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR)
S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)
P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en vatio (W). [3]
4.1.4. Potencia Aparente o Total La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la suma
geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente
suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin
ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas
conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P).
La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el volt-
ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la
siguiente:
Ecuación 5
De donde:
S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt.
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A). [3]
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4.1.5. Energía Eléctrica La energía eléctrica es la forma de energía que resultará de la existencia de una
diferencia de potencial entre dos puntos, situación que permitirá establecer una
corriente eléctrica entre ambos puntos si se los coloca en contacto por intermedio de
un conductor eléctrico para obtener el trabajo mencionado.
El proceso funciona de la siguiente manera; la energía eléctrica se transformará en
corriente eléctrica por medio de un cable conductor metálico por la diferencia de
potencial que un generador esté en ese momento aplicando en sus extremos. Por
tanto, cada vez que accionamos un interruptor de cualquier aparato lo que sucede es
el cierre de un circuito eléctrico, generándose el pertinente movimiento de electrones
a través del cable conductor, las cargas que se irán desplazando forman parte de los
átomos.
El principal uso que se le da a este tipo de energía es a instancias de la tecnología
como uno de sus pilares fundamentales, teniendo para el ser humano, salvo en
aplicaciones muy complejas y singulares, una utilidad directa. La razón de uso
indiscriminado, tanto en procesos como en aparatos de la más diversa naturaleza, se
debe principalmente a las siguientes cuestiones: limpieza y sencillez a la hora de su
generación, fácil transporte, conversión en otras formas de energía.
La generación de este tipo de energía se puede concretar de muy diversas maneras y
a través de diferentes estrategias, en tanto, la que aprovecha el movimiento rotatorio
de generación de corriente continua o corriente alterna será la que permite suministrar
mayor cantidad y potencia de electricidad, por ejemplo, la corriente de un salto de
agua, la que se produce al soplar el viento.
La generación de energía eléctrica es una de las actividades humanas más básicas,
en tanto, de las diferentes formas de empleo de la misma, la eléctrica es la que menos
impacto causa en el medio ambiente, en comparación con otras fuentes de energía
convencionales y no convencionales. [4]
16
4.2. Medidor de Energía Un medidor de Energía Eléctrica es el conjunto de elementos electromecánicos o
electrónicos que se utilizan para el registro del consumo de energía eléctrica, tanto
activa como reactiva, y en algunos casos su demanda máxima. Existen varios tipos de
medidores dependiendo de la construcción, tipo de energía que miden, clase de
precisión y conexión a la red eléctrica.
4.2.1. De acuerdo con la construcción
Medidor de Inducción o Electromagnético. Es un medidor en el cual las
corrientes en las bobinas fijas reaccionan con las inducidas en el elemento móvil
o disco, haciéndolo mover. El principio de funcionamiento es muy similar al de
los motores de inducción y se basa en la teoría de la relación de corriente
eléctrica con los campos magnéticos.
Medidores Estáticos o Electrónicos. Medidores en los cuales la corriente y la
tensión actúan sobre elementos de estado sólido (electrónicos) para producir
pulsos de salida y cuya frecuencia es proporcional a los Vatios-hora o Var-hora.
Están construidos con dispositivos electrónicos y son de mayor precisión que
los electromagnéticos.
4.2.2. De acuerdo a la energía que miden
Medidores de Energía Activa. Miden el consumo de energía activa en
kilovatios – hora.
Medidores de Energía Reactiva. Miden el consumo de energía reactiva en
kilovar – hora.
Los medidores electrónicos integran estas dos clases de medida, es decir que miden
tanto la energía activa como la energía reactiva.
17
4.2.3. De acuerdo a la exactitud que miden De acuerdo a la Norma NTC 2288 y 2148, los medidores se dividen en las siguientes
clases de exactitud: 2, 1, 0.5 y 0.2.
Medidores clase 2. Se incluye medidores monofásicos, bifásicos para medir
energía activa en casas oficinas, locales comerciales y pequeñas industrias con
cargas inferiores a 45 KVA.
Medidores clase 1. Incluye los medidores trifásicos para medir energía activa
y reactiva de grandes consumidores. Para cargas mayores a 45 KVA Se exige
que sean medidores electrónicos.
Medidores clase 0.5. Se utilizan para medir a grandes consumidores. Cuando
el usuario es no regulado o la tarifa es horaria, el medidor debe tener un puerto
de comunicación o modem para enviar la información a través de la línea
telefónica.
Medidores clase 0.2. Se utilizan para medir la energía activa suministrada en
bloque en punto de frontera con otras empresas electrificadoras o grandes
consumidores alimentados a 115 KV.
4.3. Chip Integrado Medidor de Energía ADE7758
4.3.1. Descripción general El ADE7758 es un integrado medidor de energía trifásico, el cual posee una interfaz
serial SPI (Serial Peripheral Interface), que incorpora conversores A/D de segundo
orden, con un integrador digital y todo el procesamiento de señales requerido para
realizar cálculos de energía activa, reactiva, aparente, voltaje rms y corriente rms
con precisiones del +/- 0,5% de exactitud.
El ADE7758 realiza la medición de energía activa, reactiva y aparente en
configuraciones Delta o Estrella (3 hilos o 4 hilos). Este dispositivo posee un
sistema de ajuste por fase, corrigiendo problemas de offset y desfases entre otros
[5].
18
4.3.2. Entradas análogas El ADE7758 posee seis entradas análogas divididas en dos canales: Corriente y
tensión. El canal de corriente consta de tres pares de entradas de tensión
totalmente diferenciales: IAP e IAN, IBP e IBN, ICP e ICN. Tienen una señal
diferencial máxima de ± 0,5 V. El Canal de corriente tiene un registro amplificador
de ganancia programable (PGA) con ganancias de 1, 2 o 4. Además del PGA, el
canal de corriente posee una selección del rango de la entrada a full escala para el
ADC.
El rango de selección para las entradas análogas (ADC) también utiliza el registro
de ganancia (figura 1). Como se mencionó anteriormente, la Tensión de entrada
diferencial máxima es de ± 0,5 V. Sin embargo, Utilizando el bit 3 y el bit 4 en el
registro de ganancia, el ADC máximo Tensión de entrada puede ajustarse a ± 0,5
V, ± 0,25 V, o ± 0,125 V en el canal actual. Esto se consigue ajustando la referencia
de ADC [5].
Figura 1. Amplificador de Ganancia Programable (PGA) en el canal de corriente [5]
19
La Figura 2 muestra los niveles máximos de señal en el canal de corriente.
Figura 2 Nivel máximo de señal, en canal de corriente, Gain = 1 [5].
El canal de voltaje posee tres entradas de tensión de un solo extremo: VAP, VBP
y VCP. Estas entradas de voltaje tienen una Tensión de entrada máxima de ± 0,5V
con respecto a su referencia VN. Ambos canales, Corriente y voltaje tienen un PGA
con una posible ganancia seleccionable de 1, 2 o 4. Esta misma ganancia se aplica
a todas las entradas de cada canal.
La Figura 3 muestra los niveles máximos de señal en el Canal de Tensión.
Figura 3 Nivel máximo de señal, en canal de voltaje, Gain = 1 [5].
La selección de la ganancia, para el canal de corriente se realiza escribiendo en el
registro Gain en el bit 0 y el bit 1. La selección de ganancia, para el canal de voltaje
se realiza mediante el bit 5 y el bit 6.
20
La Figura 1, Muestra cómo se realiza la selección de la ganancia para el canal de
corriente, configurando el registro de Gain.
La figura 4 muestra los ajustes de la ganancia PGA 1 (canal de corriente) y PGA 2
(canal de voltaje) seleccionando los bits en el registro Gain.
Figura 4 Registro análogo Gain [5].
4.3.3. Canal de corriente ADC La Figura 5, muestra el ADC y la ruta de procesamiento de la señal de entrada de
la corriente. En el muestreo de la onda, las salidas del ADC están compuestas por
palabras de datos complemento a dos de 24 bits con un máximo de 26,0 kSPS (Mil
muestras por segundo). Con la escala completa es de ± 0,5 V de la señal de entrada
analógica, donde el ADC produce su punto máximo a la salida (vea la Figura 5).
Este diagrama muestra el proceso que se aplica a las entradas diferenciales IAP Y
IAN. La salida de ADC oscila entre 0xD7AE14 (-2.642.412) y 0x2851EC
(+2.642.412) [5].
21
Figura 5 Procesamiento de la señal en el canal de corriente [5].
4.3.3.1. Cálculo del valor rms de la corriente La figura 6 muestra detalladamente el procesamiento de la señal rms en una de las
fases del canal de corriente.
El valor rms del canal de corriente, se procesa a partir del muestreo de la forma de
onda del canal de corriente. Los valores rms de corriente se almacenan en registros
de 24 bits (AIRMS, BIRMS y CIRMS). El LSB (least significant bit o bit menos
significativo) del registro rms de corriente equivale a un LSB (least significant bit o
bit menos significativo) del muestreo de la forma de onda de la corriente. El tiempo
de actualización del valor de la medida rms de la corriente es CLKIN / 12.
Figura 6 Procesamiento de la señal rms de corriente [5].
La exactitud del canal rms de corriente, es de 0,5% de error con respecto a la entrada de la escala completa, 1/500 de la entrada a escala completa
22
4.3.4. Sensor de corriente e integrador digital (di/dt). El sensor (di/dt) detecta los cambios en el campo magnético causado por el paso
de la corriente alterna. En la Figura 7, se observa el principio de funcionamiento del
sensor de corriente (di/dt).
Figura 7 Principio de funcionamiento de un sensor de corriente (di/dt) [5].
La intensidad de flujo de un campo magnético inducido por una corriente es
directamente proporcional a la magnitud de la corriente. Los cambios en la
densidad del flujo magnético que pasan a través de un conductor generando una
fuerza electromotriz (FEM) entre los dos extremos del circuito. La FEM es una señal
de voltaje, que es proporcional a la (di/dt) de la corriente.
La salida de tensión (di/dt) del sensor de corriente es determinada por la
inductancia mutua entre el conductor que transporta la corriente y el sensor (di/dt).
La señal de corriente necesita ser recuperada de la señal di/dt antes de que pueda
ser utilizada. Por lo tanto, es necesario un integrador para restaurar la señal a su
forma original. El ADE7758 tiene un constructor en el integrador digital para
recuperar la señal actual de sensor di/dt. El integrador digital en el canal 1 está
desactivado de forma predeterminada, cuando se enciende el ADE7758. El ajuste
del MSB del registro GAIN [7: 0] activa el integrador [5].
23
4.3.5. Canal de voltaje ADC La Figura 8, muestra el ADC (conversor análogo a digital) y el procesamiento de
las señales de la Entrada (VA) en el canal de tensión. Los canales VB y VC
presentan un proceso similar.
Para mediciones de energía activa y reactiva, la salida del ADC pasa a los
multiplicadores directamente y no se filtra. Esta Solución evita que le multiplicador
(multi-bit) sea mucho más grande y no afecta la exactitud de la medición. El HPF
(filtro pasa alto) no es Implementado en el canal de voltaje para eliminar el offset
DC, Porque el HPF en el canal de corriente, debe ser Suficiente para eliminar el
error debido a los desplazamientos del cálculo del ADC. Sin embargo, el
desplazamiento en el ADC de los canales de voltaje, produce grandes errores en
el cálculo del voltaje rms, afectando la precisión en el cálculo de energía aparente
[5].
Figura 8 ADC y el procesamiento de la señal en el canal de voltaje [5].
Tenga en cuenta que LPF1, no afecta a la energía activa y reactiva, porque sólo se
utiliza en el muestreo de la forma de onda del paso de la señal. Sin embargo, el
muestreo de la forma de onda se utiliza para la el cálculo del voltaje rms y
seguidamente la acumulación de la energía aparente.
24
4.3.5.1. Cálculo del valor rms del canal de voltaje La figura 9 muestra en detalle la trayectoria de la señal rms de la fase A del canal
de tensión. Este voltaje rms es la estimación que realiza en el ADE7758 utilizando
la media absoluta como se muestra en la Figura 9. El canal de voltaje rms se
procesa a partir de las muestras de la forma de onda obtenida del filtro pasa bajo
LPF1. La salida del canal de tensión ADC puede ser escalada en ± 50%, cambiando
el valor de los registros VRMSGAIN [11: 0] para realizar una calibración general del
voltaje rms. El registro VRMSGAIN escala los cálculos rms, así como el cálculo de
la energía aparente, porque la potencia aparente es el producto entre el voltaje y
corriente. El LSB (least significant bit o bit menos significativo) del registro de
voltaje rms, es equivalente a un LSB (least significant bit o bit menos significativo)
de la muestra de la forma de onda actual. Los valores rms de voltaje son
almacenados en registros de 24 bits (AVRMS, BVRMS y CVRMS). El tiempo de
actualización entre la medición de la tensión de la red es CLKIN/12 [5].
Figura 9 Procesamiento de la señal de voltaje rms [5].
25
4.3.6. Detección de cruce por cero El ADE7758 tiene circuitos para la detección del cruce por cero de cada uno de los
canales de voltaje (VAN, VBN y VCN). La figura 10 muestra cómo se genera la
señal de cruce por cero a partir de la salida del ADC del canal de voltaje.
Figura 10 Detección de cruce por cero en el canal de voltaje [5].
La interrupción de cruce por cero se genera a partir de la salida del LPF1. El LPF1
tiene un corte a 260 Hz (CLKIN = 10 MHz). Como resultado, hay un desfase entre
la señal de entrada analógica del canal de voltaje y la salida del LPF1.
La respuesta de la fase del LPF1 da lugar a un retraso en tiempo de
Aproximadamente 1,1 ms (a 60 Hz) entre el cruce por cero, entre las entradas de
tensión y la señal de cruce por cero resultante. Se nota que la señal de cruce por
cero se utiliza para el modo de acumulación del ciclo de línea, la interrupción de
cruce por cero y la línea de período / medida de la frecuencia [5].
26
4.3.7. Calculo de la Energía activa La potencia se define como la medida del flujo de energía. Esta relación puede
expresarse matemáticamente como:
=í
Ecuación 6
Por el contrario, la energía se define como la integral de la potencia.
í = ∫ ()
Ecuación 7
Figura 11 ADE7758 acumulación de Energía Activa [5].
El ADE7758 logra la integración de la potencia activa, mediante la acumulación
continua de la señal de potencia activa en Los registros de energía interna de 41
bits. Los registros W/h (AWATTHR, BWATTHR y CWATTHR) representados por
los 16 bits de estos registros internos. Esta acumulación en el tiempo o suma es
equivalente a la integración en tiempo continuo. La ecuación 8 expresa esta
relación [5].
í = ∫ () = →
[∑ [() ]
Ecuación 8
Dónde:
n, es el número de muestra de tiempo discreto.
T, es el período de muestra.
27
4.3.8. Interfaz serial ADE7758 El ADE7758 tiene una interfaz serial SPI incorporada. La interfaz serial del
ADE7758 se compone de cuatro señales: SCLK, DIN, DOUT, y CS. El pulso de
reloj se genera para la transferencia de datos en la entrada lógica SCLK. Esta
entrada lógica tiene una estructura de disparo Schmitt que permite usar el flanco
de subida (y bajada) de los pulsos de reloj. Todas las operaciones de transferencia
de datos se sincronizan con el pulso de reloj. Los datos se transfieren a la entrada
lógica DIN En el flanco descendente de SCLK. Los datos se desplazan hacia la
salida lógica DOUT en un flanco ascendente de SCLK.
La entrada lógica CS habilita la selección de chip. Esta entrada se utiliza cuando
varios dispositivos comparten el bus serie. Un flanco descendente en CS también
restablece la interfaz serial y habilitando la comunicación del ADE7758.
La entrada CS se activa en bajo para la transferencia de datos. El CS activo en alto
durante una operación de transferencia de datos aborta la transferencia y coloca el
bus serie en estado de alta impedancia. La entrada lógica del CS puede activarse
en bajo si el ADE7758 ocupa un sólo en el bus serial.
La funcionalidad de la ADE7758 es accesible a través de varios sistemas on-chip
(ver Figura 12). El contenido de estos registros puede ser actualizado o leído
usando la interfaz en serie del on-chip. Después del flanco de bajada en el CS, el
ADE7758 se coloca en modo comunicación. En modo comunicación, el ADE7758
espera la primera comunicación para escribir en los registros internos. Los datos
escritos en el registro de comunicaciones contienen la dirección y especifica que la
siguiente transferencia de datos contiene un comando de lectura o escritura. Por lo
tanto, todas las operaciones de transferencia de datos con él, ya sea una lectura o
una escritura, debe comenzar escribiendo al registro de comunicaciones [5].
28
Figura 12 Direccionamiento de Registros ADE7758 a través del Registro de Comunicaciones [5].
El registro de comunicaciones es un registro de sólo 8 bits de escritura. El MSB
determina si la siguiente operación de transferencia de datos es una lectura o una
escritura. Los siete LSB (least significant bit o bit menos significativo) contienen la
dirección del registro para acceder.
La Figura 13 y la Figura 14 muestran las secuencias de transferencia de datos para
una lectura y escritura, respectivamente.
Figura 13 Lectura de datos del ADE7758 a través de la interfaz serial [5].
29
Figura 14 Escritura de datos en el ADE7758 a través de la interfaz serial [5].
Al finalizar la transferencia de datos (lectura o escritura), el ADE7758 una vez más
entra en el modo de comunicaciones, es decir, la siguiente instrucción seguida
debe ser una escritura a las comunicaciones registro.
Una transferencia de datos se completa cuando el LSB (least significant bit o bit
menos significativo) del ADE7758 registro que se está dirigiendo (para una
escritura o una lectura) se transfiere a o desde el ADE7758 [5].
4.3.8.1. Operación de escritura serial La secuencia de escritura en serie tiene lugar de la siguiente manera. Con el
ADE7758 en modo de comunicaciones y la lógica de entrada CS en bajo, se tiene
una escritura sobre el registro de comunicaciones en primer lugar. Los MSB de esta
transferencia de bytes deben establecerse en 1, indicando que la siguiente
operación de transferencia de datos es una escritura al registro. Los siete LSB
(least significant bit o bit menos significativo) de este registro contienen la dirección
del registro al cual se escribirá. El ADE7758 comienza a desplazarse en los datos
del registro en el siguiente flanco descendente de SCLK. Todos los bits restantes
de los datos del registro son desplazados en el flanco descendente de los impulsos
subsiguientes del SCLK (Ver figura 15).
Figura 15 Diagrama de tiempos de la escritura a la interfaz serial [5].
30
4.3.8.2. Operación de lectura serial Durante una operación de lectura de datos desde el ADE7758, los datos se
desplazan hacia la salida lógica DOUT con el flanco ascendente de SCLK. Como
fue en el caso de la operación de escritura de datos, una lectura de datos debe ser
precedido de una escritura en el registro de comunicaciones.
Con el ADE7758 en modo comunicaciones y el CS en bajo, primero se produce
una escritura de 8 bits en el registro de comunicaciones. El MSB de esta
transferencia de bytes debe ser un 0, lo que indica que la siguiente operación de
transferencia de datos es una lectura. Los siete LSB (least significant bit o bit
menos significativo) de este byte contienen la dirección del registro que se va a
leer. El ADE7758 comienza a desplazarse fuera de los datos de registro en el
siguiente flanco ascendente de SCLK (ver figura 16). En este punto, la salida lógica
DOUT queda en un estado de alta impedancia e inicia el bus de datos. Todos los
bits de datos restantes del registro son desplazados hacia a fuera en los flancos
ascendentes subsiguientes del SCLK. La Interfaz serial entra de nuevo en modo
de comunicación tan pronto se ha completado la lectura. La salida lógica DOUT se
pone en alta impedancia en el flanco descendente del último impulso SCLK.
Figura 16 Diagrama de tiempos de lectura de la interfaz serial [5].
31
5. Diseño e implementación del Hardware
En este capítulo realizare una descripción general del hardware para la
implementación de cada uno de los módulos utilizados para el diseño del equipo
medidor de tensión, corriente y energía activa. También se explicara el diseño del
módulo utilizado para generar la inyección de corriente rms.
En la figura 17 se muestra el principio de funcionamiento básico del equipo medidor
de energía monofásico, con inyección de corriente, el cual se encuentra
conformado por cinco importantes etapas:
Acondicionamiento y detección de señales (Tensión y corriente rms).
Procesamiento de señales.
Visualización de datos medidos (LCD).
Módulo de detección análogo de sincronismo de las señales rms de tensión
y etapa de potencia (Puente H), para generar corriente rms.
Software de parametrización para los valores medidos.
Figura 17 Diagrama de bloques del funcionamiento del equipo medidor de energía monofásico, con inyección de
corriente.
32
En el diagrama de bloques (Figura 17) se observa la etapa de acondicionamiento
de las señales de tensión y corriente, estas señales se acoplan directamente al
integrado de propósito específico ADE7758, donde se procesan los datos
obtenidos y se envían al microcontrolador, que cumple la función de interrogar y
visualizar los datos de la medición. También se cuenta con un software de ajuste y
calibración de los parámetros medidos mediante el PC.
Por último, se ha diseñado un módulo de sincronismo de la señal de tensión, que
se toma como referencia para generar y construir una señal de corriente rms, para
inyectar corrientes de prueba.
5.1. Acondicionamiento de señales
Figura 18 Diagrama esquemático propuesto por el fabricante, para adquisición y funcionamiento del integrado medidor
de energía [5].
33
Para el módulo de adquisición de señales de tensiones y corrientes, se tomó como
referencia el diagrama esquemático propuesto por fabricante del medidor de
energía ADE7758 (Figura 18).
La señal de tensión rms se acondiciona por medio de un divisor de tensión, con
una relación aproximada de 1000:1. La salida de la señal acondicionada de este
divisor va directamente al ADE7758 (VAP), y no debe exceder el voltaje máximo
permitido para la entrada de tensión (500mV).
Hay que tener en cuenta que las resistencias utilizadas para este divisor de tensión
deben ser de una precisión de +/- 0.1%, para asegurar que la señal de entrada no
se altere en su medida.
5.2. Sensor de corriente
En el caso del acondicionamiento de la señal de corriente, se utiliza un CT (Current
Transformer) que entrega una salida diferencial, las cuales van directamente a los
pines del ADE7758 (IAN – IAP).
Para obtener la medida de corriente rms, se utilizó un CT (Current Transformer) de
la empresa TAEHWATRANS (TZ77V), los cuales son utilizados en medidores de
clase 0.2/0.5 de gran exactitud.
La salida del CT debe ir acoplada a una resistencia de Burden (RB), la cual es
seleccionada de acuerdo a la gráfica característica presentada por el fabricante y
teniendo en cuenta las necesidades de la medida de corriente y exactitud deseada.
Para nuestro caso se eligió una resistencia de Burden de +/-20Ω, debido a las
características de voltaje máximo (500mV) en la entrada del circuito integrado
ADE7758 (Ver figura 19).
34
Figura 19 Grafica de selección de resistencia de Burden (Salida de voltaje Vs corriente primaria censada) [6].
5.2.1. Ficha técnica sensor de corriente CT (TZ77V/L).
1. Modelo de alta Precisión.
2. Aplicación:
2.1. Clase 0,2/0,5 para contadores en W/h, utilizados para equipos de
subestaciones de las centrales eléctricas.
3. Características técnicas:
3.1. Alta precisión en el rango de 0.25Amp o menos.
3.2. Desplazamiento de fase cero.
3.3. Alta linealidad.
4. Precisión estándar:
4.1. Clase 0.2 / 0.5 (Medidores)
4.2. Corriente y carga nominal recomendada (Ver tabla 1) [6].
35
Tabla 1 Relación de corriente y carga nominal recomendada Vs modelo de CT [6].
5.3. Procesamiento de señales El ADE7758 posee registros básicos de configuración y ajuste (registros de solo
escritura) de los parámetros que se deben tener en cuenta para una operación y
procesamiento de señales óptimo.
A continuación se describirán los registros utilizados para la configuración de la
operación del ADE7758.
5.3.1. Registro de modo operativo OPMODE La configuración general del ADE7758 se define escribiendo en el registro
OPMODE. La Tabla 2 resume la funcionalidad de cada Bit en el registro OPMODE
[5].
36
Tabla 2 (0x013) Registro OPMODE [5].
5.3.2. Registro de modo de medida La configuración del Periodo y las mediciones pico realizadas por el ADE7758 se
definen escribiendo en el registro MMODE. La tabla 3 resume la funcionalidad de
cada bit en el registro MMODE [5].
Tabla 3 (0x014) Registro MMODE [5].
37
5.3.3. Registro de modo de forma de onda El modo de muestreo de forma de onda del ADE7758 se define escribiendo en el
registro WAVMODE. La Tabla 4 resume la funcionalidad de Cada bit en el registro
WAVMODE [5].
Tabla 4 (0x015) Registro WAVMODE [5].
38
5.3.4. Registro de modo computacional El método computacional del ADE7758 se define escribiendo en el registro
COMPMODE. La Tabla 5 resume la funcionalidad de cada bit en el registro
COMPMODE [5].
Tabla 5 (0x016) Registro COMPMODE [5].
39
5.3.5. Registro del modo del ciclo de línea. Las funcionalidades implicadas en el modo de acumulación de ciclo de línea en el
ADE7758 se definen escribiendo en el registro LCYCMODE. La Tabla 6 resume la
funcionalidad de cada bit en el registro LCYCMODE [5].
Tabla 6 (0x017) Registro LCYCMODE [5].
5.3.6. Registro de mascara de interrupción Cuando se produce un evento de interrupción en el ADE7758, la salida lógica IRQ
se activa en bajo, el bit de máscara para este evento se activa en 1 en el registro
MASK. La salida lógica IRQ se restablece a su estado de colector abierto por
defecto cuando se lee el registro RSTATUS. La tabla 7 describe el funcionamiento
de cada bit en el registro de la máscara de interrupción [5].
40
Tabla 7 (0x018) Función de cada bit en el registro mascara de interrupción MASK [5].
5.3.7. Registro de estado de interrupción / Registro de
estado de reset interrupción El registro de estado de interrupción se utiliza para determinar la fuente de un
evento de interrupción. Cuando se produce un evento de interrupción en el
ADE7758, se establece el indicador correspondiente en el registro de estado de
interrupción. El pin de IRQ se activa bajo si el bit correspondiente en la máscara de
interrupción se activa en este registro. Cuando el MCU da servicio a la interrupción,
primero debe realizar una lectura del registro de estado de interrupción para
determinar la fuente de la interrupción. Todas las interrupciones en el registro de
estado de interrupción permanecen en su estado alto lógico después de que se
produce un evento. El estado de la interrupción en el registro de estado de
interrupción se restablece a su valor predeterminado una vez que se lee el registro
de estado de interrupción de reinicio (Véase tabla 8) [5].
41
Tabla 8 (0x019) Interrupción del registro estado [5].
5.3.8. Registros de procesamiento de datos Los datos de voltaje, corriente y acumulación de energía, son albergados en
registros de solo lectura de 24 bits, estos registros son consultados para obtener la
información de la variable medida.
Los registros que contienen la información de voltaje son AVRMS, BVRMS y
CVRMS, estos registros contienen el componente rms de los canales de voltaje.
Por otra parte los registros que contienen la información de la medida de corriente,
son AIRMS, BIRMS y CIRMS, los cuales contienen la componente rms obtenida de
los canales de corriente. Por último para la consulta de la acumulación de Energía
Se utilizan los registros AWATTHR, BWATTHR y CWATTHR. Estos registros
contienen la acumulación de energía en W/h acumulada.
42
5.3.9. Visualización parámetros medidos (LCD).
La visualización de los datos obtenidos a través del procesamiento de las señales
de tensión y corriente se realiza por medio de una pantalla de cristal líquido LCD
de 2 líneas y 16 caracteres, también se utiliza un software de calibración y
parametrización el cual es interrogado por el puerto serial.
En esta pantalla se visualiza el Voltaje rms, la corriente rms y la acumulación de
energía activa. Adicionalmente el equipo posee dos pulsadores uno de Stop
(Congela la información que hay en pantalla en ese instante, y adicionalmente
suspende la generación de corriente entregada por la etapa de potencia del puente
H) y el otro cumple la función de Star/Reset (Este pulsador tiene dos funciones
“Star”; inicia la operación normal del equipo luego de haberse activado el pulsador
Stop. “Reset”; reinicia a cero el contador de Energía Activa para dar inicio a un
nuevo conteo).
En la siguiente tabla se muestran los formatos utilizados para visualizar los datos
en la pantalla LCD.
VARIABLE FORMATO SISTEMA INTERNACIONAL
Voltaje rms V: XXX,xx V Corriente rms I: XXX,xx A Energía Activa E: XXX,xx Wh
Tabla 9 Formato de visualización de datos en la pantalla LCD.
5.4. Detector de Voltaje y sincronización de la señal rms En esta etapa de detección y sincronización de la señal rms, se realizó un diseño
compuesto de componentes análogos (controlado por varias configuraciones
típicas con amplificadores operacionales AO).
43
Figura 20 Circuito de detección de Fase con ángulo desfasado o en fase.
En esta etapa se tiene la entrada de la señal principal (señal fundamental), la cual
se lleva a un circuito inversor para ser desfasa 180° y luego ser llevada a un
sumador. La otra señal de entrada debe estar en el mismo ángulo de fase de la
señal original, para obtener a la salida un cero, de lo contrario solo deja pasar la
suma de ambas fases.
El objetivo de esta etapa es detectar que la fase de entrada y fase de referencia
tengan el mismo ángulo de fase.
En la figura 21 se observa la respuesta del circuito, donde se comparan dos señales
de entrada, una con ángulo de fase 0° y la otra señal con ángulo de fase 120°. La
respuesta del circuito es la suma de las dos fases.
En la figura 22 también se observa la respuesta del circuito, donde se comparan
dos señales de entrada, las dos con ángulo de fase 0°, obteniendo como respuesta
que la suma de las dos fases sea cero (0V).
VCC
12V
U2A
LM358AD
3
2
4
8
1
V1
120 Vrms 60 Hz 120°
V2
120 Vrms 60 Hz 0°
R147kΩ
R210kΩ
R347kΩ
R410kΩ
VEE
-12V
XSC1
A B C D
G
T
R5
1kΩ
R6
1kΩ
R7
1kΩ
VCC
12V
U3A
LM358AD
3
2
4
8
1
VEE
-12V
R13
1kΩ
R12
1kΩ
R14100Ω
R15
60ΩR16100Ω
44
Figura 21 Comparación entre dos señales desfasadas 120°.
Figura 22 Comparación entre dos señales con ángulo de fase igual a 0°.
45
En la figura 23 se observa el circuito completo de detección de la señal de entrada
de tensión, con el ángulo de fase (0°) igual a la señal de referencia (Señal
Fundamental).
Al modelo implementado en el circuito anterior, se adiciono un circuito rectificador
de onda completa y a su salida se implementó un circuito inversor con transistor.
Figura 23 Detección de la señal de tensión, donde se acopla un rectificador de onda completa y un circuito inversor a la
salida.
A la salida del sumador de las dos señales, siendo la señal de salida la suma de
las dos ondas sinusoidales de entrada desfasadas, luego esta señal es pasada por
un rectificador de onda completa generando una señal DC y aplicada a un inversor.
El resultado de la salida de comparación de las dos señales muestra un cero lógico
a la salida de todo el sistema como se observa en la figura 24.
En la figura 25 se observa el caso contrario, donde las dos señales de entrada se
encuentran con el mismo ángulo de fase siendo 0°, 120° o -120°, a la entrada y su
respuesta activa una señal en alto o uno (1) lógico.
Este módulo realiza el reconocimiento de las señales de entrada, para detectar que
la fase correcta para que el funcionamiento del equipo tenga la misma fase que la
VCC
12V
U2A
LM358AD
3
2
4
8
1
V1
120 Vrms
60 Hz 120°
V2
120 Vrms
60 Hz 120°
R147kΩ
R210kΩ
R347kΩ
R410kΩ
VEE
-12V
XSC1
A B C D
G
T
R5
1kΩ
R6
1kΩ
R7
1kΩ
VCC
12V
U3B
LM358AD
5
6
4
8
7
R13
1kΩ
R12
1kΩ
R14100Ω
R15
60ΩR16100Ω
U1A
LM358AD
3
2
4
8
1
R8
10kΩ
R9
4.7kΩ
R10
10kΩ
R11
10kΩ
D11N3909
D2
1N3909
R17
4.7kΩ
R18
10kΩ
U1B
LM358AD
5
6
4
8
7
R19
4.7kΩ
R20
100kΩ
C11µF
VSS
-12V
VSS
-12V
VCC
12V
Señal Fundamental
Señal de la punta de corriente
R21
10kΩ
Q42N2222A
R2210kΩ
R231kΩ
VCC
12V
Q12N2222A
K
K1
EDR201A05
VCC
12V
R24
4.7kΩ
X2
5 V
VCC
12V
D31N3909
V3
115 Vrms
60 Hz 0°
J1
Key = SpaceV4
-5 V 5 V 8.333msec 16.666msec
J2
Key = Space
R25
10kΩ
Q22N2222A
R271kΩ
VDD
5V
D4
1N4148
46
fase de referencia, y evitar así una conexión errónea del equipo de medida evitando
corto circuito por conexiones con otra fase o con el neutro.
Figura 24 Respuesta del sistema a dos señales de entrada desfasadas 120°.
Figura 25 Respuesta del sistema a dos señales de entrada en fase a 0°, 120° o 240°.
47
5.5. Etapa de potencia (Puente H), para generar corriente
rms
Para la implementación de esta etapa de potencia, se requirió diseñar un circuito
generador de onda (PWM) cuadrada dividido en dos etapas (la primera etapa
genera el ciclo positivo y por otro lado se genera el ciclo negativo con respecto a la
señal rms de referencia), sincronizado en el cruce por cero con respecto a la señal
de referencia de entrada, como se observa en la figura 26.
Figura 26 Circuito generador de onda cuadrada sincronizado por el cruce por cero.
En la primera etapa, se tiene el circuito generador de onda cuadrada donde la señal
de entrada pasa por un circuito detector de cruce por cero, luego el pulso de salida
pasa por un generador de diente de sierra y esta señal va a un circuito comparador,
ya con el pulso cuadrado a la salida este se acopla por medio de un circuito opto
acoplado para llevar esta señal al control del puente H.
48
En la figura 27 se describe la respuesta del circuito detector de cruce por cero, con
respecto a la señal de entrada.
Figura 27 Respuesta del circuito detector de cruce por cero.
En la figura 28 se muestra la salida del circuito rampa que va al circuito comparador,
para generar el pulso de salida.
Figura 28 Respuesta del circuito rampa.
49
En la figura 29 se muestra la respuesta del circuito generador de pulsos, detectando
el ciclo positivo de la onda sinusoidal, para activar la señal positiva del puente H.
Figura 29 Respuesta del circuito generador de pulsos con referencia al ciclo positivo de la señal de entrada de
referencia.
Para el caso de la detección del ciclo negativo de la onda sinusoidal de referencia,
se tiene el mismo tratamiento usado en la señal positiva, donde antes de llevar la
señal al generador de pulsos, se procedió a desfasarla 180° por medio de un
circuito inversor. (Ver figura 30)
Figura 30 Señal de salida desfasada 180°, para generar pulsos en el ciclo negativo de la onda de entrada.
50
En la figura 31 se muestra la respuesta del circuito generador de pulsos, detectando
el ciclo negativo de la onda sinusoidal, para activar la señal negativa del puente H.
Figura 31 Respuesta del circuito generador de pulsos con referencia al ciclo negativo de la señal de entrada de
referencia.
Con la generación de los pulsos de los ciclos positivos y negativos sincronizados
por el cruce por cero y acoplados por medio de un circuito opto acoplado, siendo
este la salida de los pulsos de control del puente H, para generar una onda rms
cuadrada de 5V (ver figura 32).
51
Figura 32 Implementación circuito puente (H).
Se implementó el circuito del puente H mostrado en la figura 32, con una fuente de
5V y una capacidad de 15A, para poder entregar una corriente de +/- 10A.
Para el disparo de activación de los MOSFET se utilizó el circuito integrado IR2110
[7], donde es implementado como un driver para la activación del circuito del puente
H, este integrado posee una referencia de tierra flotante compensando las señales
de disparo en los MOSFET, esta característica hace que la temperatura de los
MOSFET del puente H sea más eficiente, evitando el sobrecalentamiento de la
etapa de potencia y mejorando la capacidad de operación de los MOSFET.
Se utilizó el MOSFET IRF3205 [8] con una capacidad máxima de conducción110A,
con el objetivo de contribuir a la disminución de la temperatura en el circuito del
52
puente H en altas corrientes, evitando que los MOSFET se deterioren más
rápidamente.
Para el banco de resistencias utilizado para generar la corriente de carga a la salida
del puente H, se calculó una resistencia de 0,36Ω para generar cerca de 11,25A
aproximadamente y una resistencia de 3,33Ω para generar cerca de 1,35A, esto
cumpliendo con los dos criterios de inyección de corriente para las dos pruebas
contempladas para los medidores de energía monofásicos o trifásicos.
En la figura 33 se observa la señal rms de salida, para inyectar la corriente para las
pruebas de los medidores trifásicos. La señal cuadrada rms de salida, se observa
en fase con respecto a la señal rms de entrada.
Figura 33 Salida de la señal de inyección de corriente rms Vs señal de entrada.
Luego del diseño de las diferentes etapas del equipo medidor con inyección de
carga, se procedió al diseño de los planos esquemáticos y la generación de los
PCB (Printed Circuit Board) para su respectiva fabricación.
En la pantalla LDC de la figura 34 se observa el PCB diseñado para el equipo, el
diseño se realizó con el programa ALTIUM designer, el módulo de la tarjeta LDC
trae integrado un módulo conversor RS232 a USB, para la comunicación serial del
equipo con el PC, el cual se utiliza como la interfaz de comunicación entre el equipo
53
Patrón de Inyección de corriente y el PC, para realizar la parametrización y
calibración de los parámetros de Voltaje, Corriente y Energía del equipo teniendo
como referencia un equipo Patrón de medida con una exactitud tres veces mayor
que la de nuestro equipo en objeto de diseño.
Figura 34 PCB diseñado para la tarjeta LCD.
En la figura 35 se muestra el módulo de captura de voltaje rms, corriente rms y
energía activa, el cual está integrado con el dispositivo medidor ADE7758.
Adicionalmente dentro de esta tarjeta se encuentra incluido el sistema de detección
de fase utilizado para evitar cortocircuitos coaccionados por conexiones erróneas.
Por otra parte se integró el circuito generador de pulsos (PWM) para controlar los
pulsos de disparo en la etapa de potencia del puente H y a su vez tener control
sobre el ángulo de desfase de la onda rms de corriente generada.
Figura 35 PCB diseñado para la tarjeta principal.
En la figura 36 se muestra la tarjeta diseñada para la etapa de potencia (Puente
H). Esta etapa se diseñó con un puente H para generar una señal de 5V rms con
una corriente seleccionable de 1A – 1,5A y de 10A – 12A, alimentada por una
fuente de voltaje DC de 5V 15A, con un circuito Driver implementado con el
Integrado IR2110, con esta configuración se evitara el sobrecalentamiento y los
54
daños tempraneros en los Mosfet de la etapa potencia, igualmente se utilizaron
Mosfet de 110A de capacidad de máxima para mejorar la eficiencia del circuito.
Figura 36 PCB diseñado para la tarjeta de puente H.
5.6. Descripción de funcionamiento del equipo Medidor
de Energía Monofásico con Inyección de Corriente
Para comprender con más claridad el objetivo del diseño de este esquipo, me
remitiré a explicar la manera de realizar las pruebas a los medidores de energía
monofásicos de forma convencional.
Una de las tareas más importantes de la inspección de medidores en terreno es la
prueba de potencia o comparación de cargas (erróneamente designada contraste
de medidor).
Figura 37 Circuito para verificación de medidores monofásicos [9].
55
Consiste en una prueba que verifica la exactitud del medidor mediante la
comparación de los valores de potencia medidos simultáneamente con un
instrumento desconocido y otro conocido (preferentemente patrón) para conocer el
error del primero [10].
+ + +
Figura 38 Elementos utilizados para la verificación convencional de medidores de energía [10]
El objetivo es medir simultáneamente la potencia del circuito y cronometrar el
tiempo que tarda en girar un numero N de vueltas el disco del medidor.
En el caso de utilizar instrumentos del tipo pinzas voltiamperimétricas u otros
que no arrojen directamente el valor de la potencia, esta podrá ser calculada
como [10]:
Figura 39 Fórmula para calcular la potencia instantánea [9].
Con el anterior método de verificación de medidores, se corre el riesgo de que
las mediciones sean imprecisas, debido a que el resultado de los valores
obtenidos se obtiene como la apreciación más exacta que puede tener el
operario que realiza la prueba.
Otra de las limitaciones que se tiene con este tipo de métodos, es el riesgo que
se corre cuando se requiere utilizar una carga real proporcionada por el
operario, donde se utiliza una carga resistiva que durante la prueba genera
exceso de calor y esto coloca en riesgo la integridad del operario.
56
Adicionalmente se requiere más tiempo durante el ejercicio de la prueba de
verificación, generando una baja productividad del personal encargado para
estas actividades.
Es por esta razón que se implementó el desarrollo del equipo Medidor de
Energía con Inyección de Corriente, donde se propuso mejorar el proceso de la
verificación de los Medidores, mejorando los tiempos en el desarrollo de las
pruebas, minimizando el riesgo en personal que ejecuta esta labor y
optimizando el porcentaje de error en las pruebas de verificación.
Figura 40 Diagrama de conexión del Equipo Medidor de Inyección de Corriente, en verificación de Medidores de
Energía.
La conexión mostrada en la Figura 40, se interpreta como la conexión básica
del equipo diseñado en las pruebas de verificación de medidores, donde el
equipo de alimenta de la entrada del Medidor y la salida del equipo de Inyección
de Corriente como en la figura es colocada a la salida de la carga que va al
usuario. Esta carga es la entregada por el circuito de potencia del puente H con
una señal de 5V rms, sumada a una señal de tensión de 120V rms y conectada
en paralelo a la bobina del medidor generando una carga de corriente fantasma
de 10A – 12A, en la prueba de alta corriente.
57
5.7. Descripción del Software Implementado en el
Microcontrolador
El microcontrolador escogido para esta aplicación fue el PIC16F873A (Microchip),
el cual se programó utilizando el software ofrecido por el fabricante (MPLAB). Una
de las funciones del microcontrolador es la de realizar la comunicación con el
integrado ADE7758 y ajustar los valores obtenidos y presentarlos a través de una
pantalla LCD.
5.7.1. Control del sistema de medida con el
microcontrolador.
El programa implementado en el microcontrolador contiene varias rutinas que se
encargan de inicializar todos los periféricos y configurar el medidor, así como
restaurar las mediciones.
El módulo de inicialización se encarga de configurar la pantalla LCD, inicializar los
parámetros de configuración de ADE7758 y establecer la comunicación SPI con el
integrado medidor.
El microcontrolador realiza la consulta de los registros del ADE7758 encargados
de guardar los datos medidos y por intermedio de una contante de calibración para
cada variable ajusta el valor que se visualiza en la pantalla LCD. El equipo posee
dos pulsadores, uno para realizar la parada de la prueba y el otro para iniciar o
generar un reset del contador de energía.
El microcontrolador es el encargado de establecer la comunicación con el software
de calibración, el cual ajusta la constante de calibración y guardarla en la memoria
EPROM del microcontrolador, el cual sirve como referencia para visualizar el dato
ajustado y con el menor porcentaje de error de la medida posible (Ver figura 41).
58
Figura 41 Diagrama de flujo rutina Microcontrolador.
5.8. Software de parametrización y calibración
Se ha implementado un software de calibración y ajuste de los parámetros medidos
de voltaje rms, corriente rms y energía activa. La interfaz con el equipo se realizó
por conexión USB emulando una interfaz serial.
El proceso de calibración se realiza aplicando una regla de tres simple con respecto
a la variable de referencia, este dato es ajustado con una constante HEX (24 Bit’s)
que es guardada en la memoria del equipo. Al momento de realizar la verificación
de las variables medidas, el software de calibración muestra el porcentaje de error
59
calculado al momento de la calibración, este ejercicio se debe repetir las veces que
sea necesario hasta obtener el porcentaje de error más ajustado posible.
En la figura 42 se observa la interfaz de calibración y ajuste para el equipo
diseñado. Esta interfaz se ha desarrollado en visual C y la comunicación con el
equipo se implementó por el puerto serial.
Figura 42 Software utilizado para la calibración del equipo medidor monofásico.
60
6. Confirmación metrológica y realización de los
procesos de medición (Según la NTC-ISO 10012).
Para realizar el proceso de confirmación metrológica, se adoptaron los lineamientos
de la norma técnica colombiana NTC-ISO 10012 N “SISTEMAS DE GESTIÓN DE
LA MEDICIÓN. REQUISITOS PARA LOS PROCESOS DE MEDICIÓN Y LOS
EQUIPOS DE MEDICIÓN”. Para la documentación de este procedimiento se ha
tenido en cuenta el numeral 7 de esta norma, donde se hace referencia a los
lineamientos a tener en cuenta para desarrollar satisfactoriamente la confirmación
metrológica del equipo diseñado.
Esta norma internacional especifica los requisitos genéricos y proporciona
orientación para la gestión de los procesos de medición y para la confirmación
metrológica del equipo de medición utilizado para apoyar y demostrar el
cumplimiento de requisitos metrológicos. Especifica los requisitos de gestión de las
mediciones que puede ser utilizado por una organización que lleva acabo
mediciones como parte de su sistema de gestión global, y para asegurar que se
cumplen metrológicos [11].
La confirmación metrológica es implementada para asegurar que las
características del equipo de medición cumplan con los requisitos metrológicos del
proceso de medición. La confirmación metrológica está compuesta por la
calibración y verificación del equipo de medición [11].
La re calibración del equipo no es necesaria si el equipo se encuentra en un estado
de calibración valido, de lo contrario se debe ajustar los valores medibles hasta
obtener una medición deseable. En los procesos de confirmación metrológica se
incluyen métodos para verificar que las incertidumbres de medición y/o los errores
de los equipos estén dentro de los límites permisibles especificados en los
requisitos metrológicos [11].
Para la confirmación metrológica del equipo diseñado, se ha dispuesto el equipo
como clase 2. Donde se realizara todo el proceso de confirmación metrológica y la
61
verificación de los procesos de medición según la NTC-ISO 10012,
específicamente el procedimiento del numeral 7 de esta norma.
6.1. Intervalos de confirmación metrológica
“Los métodos utilizados para determinar o modificar los intervalos de la
confirmación metrológica deben ser descritos en procedimientos documentados.
Los intervalos de la confirmación metrológica deben revisarse y ajustarse cuando
sea necesario para asegurar el cumplimiento de los requisitos metrológicos
especificados.
Cada vez que un equipo de medición no conforme se repare, ajuste o modifique,
debe revisarse su intervalo de confirmación metrológica.” [11]
Para el caso de la confirmación de los intervalos metrológicos, se ha diseñado un
procedimiento, donde se indica que instrumentos de medida pueden ser utilizados
como patrones de trabajo, de igual forma se estipulan los lineamientos para realizar
los ajustes al equipo de medida en prueba y su respectiva contrastación de la
medida.
Ver Anexo 1. Procedimiento para calibración y contrastación de equipos de
medición.
6.2. Control de ajustes del equipo
Para tener un correcto control sobre el ajuste, calibración y contrastación del
equipo, se deben tener en cuenta varios aspectos a la hora de realizar esta acción.
1. Se diseñó una planilla de chequeo para instrumentos de medición, en la cual
reposa la información detallada del equipo, el alcance de los valores
consignados dentro de esta planilla y los parámetros estadísticos que nos
brinda la conformidad o no conformidad de los datos evaluados en la calibración
o la verificación de la calibración, dentro de este documento se evalúa de
62
manera gráfica si el equipo se encuentra dentro de error máximo permitido, con
la incertidumbre asociada a la medición (ver Anexo 2).
Cabe aclarar que este procedimiento debe ser delegado a un funcionario que
garantice la confiabilidad y buen manejo de los equipos que se requiere para
este proceso, así como tener la aptitud necesaria y conocimiento de los
procedimientos metrológicos utilizados para la verificación de la calibración de
los equipos de medida evaluados en este proceso.
2. Se elaboró el procedimiento para la calibración y contrastación de equipos de
medición (ver Anexo1), donde se indica la metodología a seguir para realizar la
actividad de calibración y verificación de la calibración, la consignación de los
resultados obtenidos y las herramientas a utilizar dentro de este procedimiento
para el cálculo del sesgo y la incertidumbre asociada a la medición.
3. Finalizada una calibración y verificación de la calibración de los equipos de
medición, se evalúa el resultado de la calibración, asegurando que los valores
medidos del equipo se encuentren dentro del error máximo permitido, para así
generar el criterio de conformidad o no conformidad de la medida del equipo.
Finalizada esta actividad, se debe identificar el equipo mediante un sticker con
los siguientes datos (Ver anexo 3):
Fecha de calibración del equipo.
Persona que realiza el procedimiento de contrastación.
Persona que autoriza y verifica el procedimiento.
Estado de conformidad del proceso de contrastación.
Fecha estimada para la próxima contrastación o calibración del equipo.
4. El software utilizado para el ajuste y calibración del equipo, debe ser controlado
por la persona que realiza el procedimiento de contrastación y su uso es
responsabilidad de la entidad que adquiere los equipos de medición. Debido a
que este software es entregado junto con el equipo medidor de energía
monofásico con inyección de corriente.
63
“Los medios y dispositivos de ajuste del equipo de medición confirmado, cuyo ajuste
afecte al desempeño, deben sellarse o salvaguardarse para prevenir cambios no
autorizados. Los sellos o medidas de salvaguarda deben diseñarse e implementarse
de modo que se detecte su alteración.
Los procedimientos para el proceso de confirmación metrológica deben incluir las
acciones por tomar cuando los sellos o salvaguardas se hayan dañado, roto, eludido
o perdido.” [11]
6.3. Registros del proceso de confirmación metrológica
“Los registros del proceso de confirmación metrológica deben estar fechados y
autorizados por una persona autorizada para atestiguar la veracidad de los
resultados, según corresponda. Los registros de confirmación metrológica deben
mantenerse y estar disponibles.” [11]
Dentro de la planilla de chequeo para instrumentos de medición se registran los
datos de información del equipo, el alcance de las medidas del equipo en prueba,
el personal que elaboro la prueba de calibración y contrastación. Se registra el aval
de la persona autorizada para verificar y atestiguar la veracidad de los datos
adquiridos durante la prueba de calibración y contrastación (Ver Anexo 2).
Dentro del proceso de confirmación metrológica se debe demostrar si cada equipo
cumple con los requisitos metrológicos especificados dentro del error máximo
permitido, con el cálculo del error de sesgo y la incertidumbre asociada a la
verificación de la calibración. Estos requisitos deben cumplir con lo siguiente [11]:
I. La descripción e identificación única del fabricante del equipo, tipo, número
de serie, etc.
II. La fecha en la cual se completó la confirmación metrológica.
III. El resultado de la confirmación metrológica.
IV. El intervalo de la confirmación metrológica asignada.
V. La identificación del proceso de confirmación metrológica.
VI. El error máximo permitido designado.
64
VII. Las condiciones ambientales pertinentes y una declaración sobre cualquier
corrección necesaria.
VIII. Las incertidumbres implicadas en la calibración del equipo.
IX. Los detalles del mantenimiento, tales como ajustes, reparaciones y
modificaciones realizadas.
X. Cualquier limitación de uso.
XI. La identificación de la persona que realizo la confirmación metrológica.
XII. La identificación de la persona responsable de la veracidad de la información
registrada.
XIII. La identificación única (número de serie) de cualquiera de los certificados e
informes de calibración y de otros documentos pertinentes.
XIV. La evidencia de la trazabilidad de los resultados de la calibración.
XV. Los requisitos metrológicos para el uso previsto.
XVI. Los resultados de calibración obtenidos después y, cuando se requiera,
antes de cualquier ajuste, modificación o reparación.
7. Proceso de medición
“Los procesos de medición forman parte del sistema de gestión de las mediciones,
deben ser planificados, validados, implementados, documentados y controlados.
Las magnitudes de influencia que afecten a los procesos de medición deben ser
identificadas y controladas.
La especificación completa de cada uno de los procesos de medición debe incluir
la identificación de todos los equipos pertinentes, procedimientos de medición,
software para la medición, condiciones de uso, aptitud del operador y todos los
factores que afecten a la fiabilidad del resultado de la medición. El control de los
procesos de medición debe llevarse a cabo de acuerdo con procesos
documentados.” [11]
Para la elaboración del proceso de medición se documentó el procedimiento del
anexo 1, donde se especifican los lineamientos generales del proceso general de
calibración y la verificación de la calibración requerida para generar el criterio de
aceptación del equipo de medición en prueba.
65
Teniendo en cuenta que el equipo debe ser ajustado en sus variables de medida,
por intermedio del software CALI PAT que es el utilizado para la calibración y ajuste
del equipo, siendo este el último paso, para realizar la verificación de la calibración
del equipo y evaluar su respectivo criterio de aceptación de conformidad y enviar
el equipo a su correspondiente uso.
7.1. Diseño del proceso de medición
“Los requisitos metrológicos se deben determinar basándose en los requisitos del
cliente, de la organización, y de los requisitos legales y reglamentarios” [11].
Para realizar la calibración y la verificación de la calibración es necesario disponer
de un procedimiento de medida compuesto por las siguientes características:
Se requiere de un medidor de energía eléctrica, que actuara como patrón de
la calibración, cuya exactitud deber ser tres (3) veces mayor o igual a la
exactitud del mesurando.
Este equipo seleccionado como patrón de la calibración, debe poseer un
certificado de calibración vigente, expedido por un laboratorio certificado que
garantice la trazabilidad de las medidas del sistema internacional de
medidas SI.
Se requiere de un generador de Tensión rms estable, en el caso de la
corriente, se utilizara la inyección de corriente generada por el equipo
mesurando, la cual será ajustada y comparada con respecto al equipo patrón
de la calibración, esta corriente será definida como carga fantasma o ficticia
la cual será empleada para el ajuste y calibración de la corriente y la energía
activa.
El sistema de medida constara de los siguientes elementos:
66
Figura 43 Sistema de medida.
7.2. Realización del proceso de medición
Para el proceso de medición se ha tomado como guía el documento
“PROCEDIMIENTO EL-005 PARA LA CALIBRACIÓN DE MEDIDORES DE
ENERGÍA ELÉCTRICA”, donde este procedimiento da a conocer los métodos y la
sistemática necesaria para realizar la calibración de medidores de energía eléctrica,
destinados para trabajar en corriente alterna [10].
Se conectara el equipo mesurando y patrón, a la fuente de Tensión en paralelo con el
equipo Patrón, la intensidad de corriente es generada por el equipo mesurando y el
equipo patrón que posee pinzas de corriente para la medida indirecta se conecta a la
línea de generación de corriente del equipo mesurando (Ver figura 44).
Figura 44 Conexionado del equipo mesurando para la calibración por comparación con el equipo Patrón.
FUENTE DE TENSION
EQUIPO PATRON DE LA
CALIBRACIÓN, CON
TRAZABILIDAD AL
SISTEMA DE MEDIDA SI.MEDIDOR MONOFASICO
CON INYECCIÓN DE
CORRIENTE
67
Debido a que la energía es una magnitud, que a su vez depende de otras magnitudes,
sus puntos de medida no se expresan en unidades de energía sino en valores de
Tensión e Intensidad, y cuando se trate de corriente alterna un punto de medida sería:
120V, 10A, CosΦ=1, donde estos valores son ajustados para realizar la calibración de
los valores de energía.
Existe infinidad de configuraciones para realizar esta medida de energía, pero en el
caso de la calibración del equipo medidor de energía monofásico con inyección de
corriente, se evaluaran los siguientes puntos:
+/- 120V, 1,36A, CosΦ=0,9.
+/- 120V, 10A, CosΦ=0,9.
La prueba de energía activa, se realizara alrededor de los siguientes valores:
5Wh, 10Wh y 15Wh en los puntos de +/- 120V, 1,36A, CosΦ=0,9.
10Wh, 20Wh y 30Wh en los puntos de +/- 120V, 10A, CosΦ=0,9.
Los valores anteriormente descritos son los que se utilizaran para las pruebas de
verificación a medidores monofásicos y trifásicos de energía eléctrica.
7.3. Toma y tratamiento de Datos
Para nuestro caso se inicia la prueba de medición, tomando cinco muestras de
cada medición por el método de comparación directa.
El resultado de la calibración será el error en cada punto de medida:
E = Valor de Referencia (Patrón) – Valor Medido (Mesurando)
Ecuación 9
68
Los datos se tomaran de forma que quede reflejado el lugar y fecha en la que se
obtuvieron, así como los valores de las magnitudes involucradas como en la
siguiente tabla:
Tabla 10 Modelo para toma de datos según el anexo 2.
Donde E. Sesgo, es promedio de las medidas que se hayan tomado del Error
Relativo:
=∑
Ecuación 10
La desviación estándar está definida por:
= ∑ (. − . )
−
Ecuación 11
Valor
Referencia
(A)
Valor Medido
(A)
Error
RelativoE. Sesgo Desv. Estandar incertidumbre
límite
Superior
límite
Inferior
69
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):
= + +
Ecuación 12
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.
74
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
ANEXO 1. Planilla de chequeo para Instrumentos de medición.
77
9.2. Anexo 2
78
79
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:
ESTAMPILLA DE CRITERIO DE ACEPTACIÓN DE LA 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
Figura 28 Respuesta del circuito rampa. ................................................................................... 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 ...................................................................................................................................... 70
84
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
Tabla 10 Modelo para toma de datos según el anexo 2. ........................................................ 68
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.