17 enero 2013

Métodos disponibles para medir la capacitancia (2ª PARTE)


Ver 1ª PARTE


Métodos para medir la capacitancia

·         

Los métodos para medir la capacitancia pueden clasificarse como métodos null, que bastante generalmente implican el uso de puentes, y métodos de desviación, en el que algunas características, usualmente la impedancia, se miden con la ayuda de instrumentos de indicación. En las ecuaciones que siguen, 






Es conveniente representar un condensador como consistiendo en una capacitancia C (faradios) en serie con una resistencia r (ohmios) tales como:


La pérdida de potencia, para un voltaje impresionado E (voltios), es:



Los métodos de puente para la comparación de condensadores son preferidos sobre métodos en los que la capacitancia se determina en términos de inductancia, ya que es simple apantallar condensadores de forma que sus valores son completamente independientes de los objetos de los vecinos y sus campos eléctricos son completamente confinados, mientras los campos magnéticos de los inductores no pueden ser confinados. Los voltajes de error pueden entrar puentes a través del acoplamiento de un inductor con un campo externo, a través de un acoplamiento mutuo con circuitos de corrientes parásitas inducidas por el inductor en objetos metálicos vecinos, etc.

El puente DeSauty, mostrado en la siguiente figura, es una red de Wheatstone en la que los condensadores pueden ser comparados en términos de un ratio de resistencia. Debe notarse que los ángulos de pérdidas de los dos brazos de capacitancia deben ser iguales, así una resistencia en serie se inserta el ramal con el ángulo de pérdida más pequeño. 





En el caso ilustrado, la resistencia S está en serie con el condensador de referencia Cs. En equilibrio:

El puente de Schering mostrado en la siguiente figura tiene extensas aplicaciones para medir los ángulos de pérdida de los cables de potencia de alto voltaje y aisladores de alto voltaje. Para este propósito, el voltaje de alimentación es conectado como se muestra, y se hace una conexión de tierra en la unión de los ramales A y B de forma que los ajustes de equilibrio se hacen cerca del potencial de tierra.


Los componentes ajustables son generalmente A y Cp. Es también común encerrar el A, B, y ramas del detector en una pantalla puesta a tierra y proteger esta sección de bajo voltaje en una pantalla puesta a tierra y proteger esta sección de bajo voltaje contra posible descomposición del espécimen de ensayo por un hueco de aire en paralelo al ramal A. Tal hueco puede ser ajustado para despertar a 100 V o así, y proporciona una trayectoria de resistencia puesta a tierra para descomponer la corriente desde el espécimen. Las ecuaciones de equilibrio son:



Usualmente, el condensador de referencia Cs es un condensador de aire de alto voltaje o gas comprimido con ángulo de defecto de fase despreciable, en cuyo caso los términos de corrección en la ecuación de equilibrio dejan de ser importantes. El puente de Schering es también excelente para ser usado para la comparación de condensadores de bajo voltaje. Para este propósito, se usa en su forma conjugada con los ramales del detector y alimentación intercambiados para incrementar la sensibilidad. Cp debe, por supuesto, ser conectado a través de los ramales A en vez del B si el ángulo de pérdida de Cs es mayor que el de Cx, con la modificación correspondiente de las ecuaciones de equilibrio. Cuando los ángulos de pérdida Cs y Cx son ambos muy pequeños, los condensadores ajustables deben ser conectados a través de los brazos A y B, y la diferencia en los ángulos de defecto de fase que ellos introducen en el puente deben ser igual a la diferencia en ángulos de pérdida de Cs y Cx. Esta modificación del puente se hace necesaria por el hecho de que la capacitancia de un condensador ajustable no puede ser reducida a cero en la construcción usual.

El puente del transformador se ha desarrollado en la herramienta más precisa disponible para la comparación de condensadores, especialmente para los condensadores de tres terminales con apantallamiento completo. Un transformador de tres devanados se usa de forma que el ratio del puente es el ratio de los dos devanados secundarios del transformador que son de baja resistencia y uniformemente distribuida alrededor de un núcleo toroidal para minimizar la reactancia de pérdida. Un ratio estable, conocido como mejor que 1 parte en 107, puede ser alcanzado de esta forma.

Numerosos esquemas para el ajuste del equilibrio han sido usados exitosamente. Uno de estos, empleando divisores de voltaje inductivos, se muestra esquemáticamente en la siguiente figura pero simplificado omitiendo el apantallamiento necesario.

La corriente en fase con la corriente principal se inyecta en la unión entre los condensadores que están siendo comparados, C1 y C2, para equilibrar su desigualdad en magnitud. Esta corriente, a través de un condensador C5, se controla ajustando la posición de la toma en el divisor de voltaje inductivo B, suministrado desde un punto de la toma apropiada en el brazo del ratio del transformador principal. La corriente de cuadratura, para equilibrar la diferencia de fase entre C1 y C2, es similarmente inyectado a través de R y el divisor de corriente C3/(C3+C4), controlada ajustando el punto de la toma en el divisor A. El divisor de corriente se usa de forma que R puede tener un valor razonable, unos pocos megaohmios en la mayoría de los casos. En la red ilustrada, se asume que:


Donde NB es la fracción del voltaje a través de C2 que es impresionado en C5, esto es, el producto del ratio del punto de toma del transformador principal y el divisor B5 y NA es la fracción correspondiente del voltaje a través de C1 que es impresionado en R.

En los últimos años se han desarrollado instrumentos de medición de impedancia automatizados por la facilidad de disponer de microprocesadores. Algunos de estos usan las técnicas de transformador mencionadas antes, usando relés para equilibrarlos seleccionando ratios computados por el microprocesador de los voltajes de salida del detector. Muchos tienen características de equilibrio de quadrature puramente analógicas.

Muchos puentes automatizados están previstos para ensayar los componentes de precisión en un amplio rango de frecuencias y con corriente directa programable o parcial de voltaje. Sus rangos de exactitud pueden ir desde un pequeño porcentaje a frecuencias altas a 0,01 % o mejor a frecuencias de audio. Su calibración se hace generalmente usando terminales de dos o tres valores fijos o estándares de 4 pares de terminales.

Los detectores usados en mediciones de puente se seleccionan con relación a la frecuencia e impedancia.
Los galvanómetros de vibración pueden usarse a frecuencias de potencia en circuitos de baja impedancia; discriminan bien contra armónicos y tienen alta sensibilidad, pero deben estar bien ajustados a la frecuencia de uso.

Analizadores de onda, que están comercialmente disponibles con control de cristal interno, tienen también una banda de paso estrecha y un alto rechazo de frecuencias a cada lado. Pueden usarse con un preamplificador cuando se requiere la sensibilidad máxima, y es deseable que el preamplificador en sí mismo sea bien ajustado en su primera etapa para mejorar el rechazo de ruido. Este sistema puede usarse a cualquier frecuencia a través de la región de audio.

Los osciloscopio de rayos catódicos tienen la sensibilidad adecuada (o usados con preamplificadores ajustados) hacen particularmente buenos los detectores null. Si un voltaje ajustable de fase desde un suministro de puente es impresionado en las placas horizontales y la señal de desequilibrio en el ramal del detector impresionado en las placas verticales,

Bibliografía:

·         Standard Handbook for electrical engineers. H. Wayne Beaty. McGraw-Hill

Publicar un comentario en la entrada