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UNIVERSIDAD VERACRUZANA “GENERALIDADES Y CALIBRACIÓN DE WATTHORÍMETROS DIGITALES F12H” TRABAJO PRACTICO TÉCNICO.
Para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
Presenta FERNANDO ANGOA HERNÁNDEZ
Director MTRO. SIMÓN LEAL ORTIZ Xalapa, Ver. Junio 2012
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AGRADECIMIENTOS. A mi Familia
Que siempre me apoyo para seguir adelante, a mis tíos que no dejaron de creer en mí, a mis primos que no dejen de luchar por lo que quieren, y que esto si se puede. Y a mi hermana que no deje de echarle ganas. A la C.F.E. Distribución Oriente
Por darme la oportunidad de presentar mi
Servicio
Social
y
mis
Practicas
Profesionales, por toda la experiencia adquirida en el proceso de mi formación profesional. Al
Laboratorio
de
Metrología
Divisional
Donde tuve la oportunidad de conocer al Sr. Rafael Ortega quien me brindo su apoyo para la conclusión del presente trabajo recepcional, al Ing. Eduardo Juan,
y
al
quienes
Ing.
me
conocimiento
Armando
Carrizo
transmitieron en
mi
estancia
su en
el
laboratorio. Al Ing. Julio Cesar Contreras Córdoba
Por su valiosa aportación, apoyo y
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coordinación en la elaboración de este documento, por el tiempo que me prestó atención y sus buenos consejos que siempre tomare en mucho en cuenta, gracias. Al Ing. Simón Leal Ortiz e Ing. Castro
Por el tiempo que me atendió, siendo mi director
y
jurado,
además
de
un
excelente catedrático en la impartición de sus clases y brindarme el un poco de su tiempo en la realización de trabajo recepcional. A mis amigos
Por todos esos momentos tan gratos, que en mi mente siempre llevare a mis amigos, el Vidal, El Mayer, El Costal, Oliver, Perote, y mi camarada de la secundaria Abraham. Gracias por esos consejos malos y buenos. A mi madre
Por todos esos desvelos, por todos tus sacrificios, por los todos los momentos de alegría, así como de preocupación y tristeza, nunca me dejaste solo siempre me
estuviste
a
tu
lado,
por
las
madrugadas que levantabas para que yo
desayunara,
y
por
todas
tu
magnificas atenciones. Gracias, muchas gracias mamá.
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A mi padre
Por todos los buenos consejos, por todos tus sacrificios, por el que siempre das lo mejor de ti para que mi hermana y yo salgamos adelante, por el que siempre has estado hay cuando más te necesito… Por el que cuando era niño y tú estabas en el hospital te jure un titulo… aquí esta, y es tuyo, y es mi manera de darte las gracias, con algo con el deseo te sientas orgulloso, por todo eso y más gracias… Ana Cristina
Persona a quien no tengo adjetivo para describir
lo
que
es
para
mí,
lo
importante que vino a ser en mi vida, y lo que quiero ser en tu vida… gracias amor por tu apoyo y comprensión. Te amo. Y Gracias a Dios… Por ser tan grande, por darme la facultad
de
haber
concluido
estudios
profesionales,
por
mis quien
prometo trabajar horadamente y con toda mi ética profesional, y moral… gracias, gracias a Dios por darme vida, y una magnifica familia.
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ÍNDICE. Generalidades y Calibración de Watthorímetros Digitales F12H Portada. Documento de Aceptación de Tema H. Consejo Técnico. Agradecimientos. Índice. Justificación. Objetivo General. Objetivo Especifico. Planteamiento del Problema Introducción. Antecedentes. Capítulo I: Análisis del Medidor Energía. Teoría del Medidor de Energía. Conceptos Generales. Unidades de Medidas Eléctricas. Aparatos de Medida. Medidor de Energía. Clasificación de Medidores de Energía. Capítulo II: Medidores de Energía. Parámetros de los Watthorímetros. Medidores de Energía Electromecánicos. Electroimán Bobina de Potencial. Bobina de Corriente. Rotor. Sistema de Frenado. Registro Marco, Base y Cubierta. Medidores de Energía Digitales. Condiciones Ambientales de Servicio. Condiciones de Operación del F12H. Características Técnicas Generales de los Medidores F12H. Requisitos de Diseño y Construcción. Requisitos Mecánicos. Descripción de los Componentes Principales. Base. Tapa Principal del Medidor. Bloque de Terminales. Elementos Indicadores del Medidos Eventos Almacenados en el Medidor Relé de Desconexión y Reconexión. Esquema de Conexión.
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1 2 3 6 8 8 8 9 10 12 15 15 16 16 17 19 20 29 30 35 35 36 36 37 37 38 38 39 40 41 42 43 43 44 45 46 47 48 50 51 52
Placa de Identificación o de Datos Técnicos. Características del Medidor. Programación de los Medidores. Capacidad de Autogestión. Medidor Electrónico Generalidades de un Medidor en Estado Sólido. Capítulo III: Pruebas. Calibración del Watthorímetro Digital F12H (Sistema de Calibración de Laboratorio RS – 600). Calibración del Watthorímetro Digital F12H (Sistema Portátil de Calibración RM – 17). Calibración del Watthorímetro Digital F12H (Carga Artificial TESCO). Intercomparación de Procesos: Error Normalizado. Conclusiones. Glosario de Términos. Anexos. Anexo “A”. Manual del Verificador. Anexo “B”. Norma NMX-EC-17025-INMC-2006. Requisitos Generales para la Competencia de los Laboratorios de Ensayos y de Calibración. Anexo “C”. Norma NMX-CH-140-INMC-2002. Guía para la Expresión de Incertidumbre en las Mediciones CENAM. Anexo “D”. Norma NMX-Z-055-INMC-2009. Vocabulario Internacional de Metrología. Anexo “E”. Norma NOM-044-SCFI-2008. Watthorímetros Electromecánicos: Definiciones, Características y Métodos de Prueba. Anexo “F”. Manual del Cliente en Prepago. Bibliografía Fuentes de Internet
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53 54 55 55 56 56 59 62 84 104 139 145 146 153 153 161 191 217 237 250 255 256
JUSTIFICACIÓN. Como justificación para este trabajo en el Laboratorio de Metrología de la Comisión Federal de Electricidad es la demostrar que los Watthorímetros Electrónicos que utiliza la CFE, cumplen con las especificaciones del fabricante por medio de un sistema el cual sea capaz de analizar los resultados de calibración en base al porcentaje de error e incertidumbre.
OBJETIVO GENERAL Instrumentar e implementar un sistema que sea capaz de analizar la calibración de Watthorímetros Electrónicos Monofásicos F12H utilizados por los usuarios de Comisión Federal de Electricidad.
OBJETIVO ESPECÍFICO Crear un sistema para analizar el error de medición encontrado en la calibración de Watthorímetros Electrónicos. Mantener un error mínimo en el proceso para realizar la prueba de los Watthorímetros Electrónicos Monofásicos. Estudiar y analizar los fundamentos y principios de Watthorímetros Electrónicos. Estudiar
y
analizar
la
norma
oficial
mexicana
NOM-044-SCFI-2008
(Watthorímetros electromecánicos-definiciones, características y métodos de prueba.) Estudiar
y
analizar
la
norma
NMX-CH-140-IMNC-2002
(Cálculo
Incertidumbre). Analizar el manual del calibrador de CFE. Estudiar el lenguaje para metrología de la Norma NMX-Z-055-INMC-2009.
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de
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el Laboratorio de Metrología de la Comisión Federal de Electricidad se requiere de un sistema el cual sea capaz de analizar los resultados de calibración en base al porcentaje de error e incertidumbre de los Watthorímetros Electrónicos Monofásicos F12H para cumplir con las especificaciones del fabricante (IUSA).
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INTRODUCCIÓN. El tendido de la red de cables para el transporte de la Energía Eléctrica, se origina en las Centrales Generadoras tales como: Hidroeléctricas y Termoeléctricas, que son las más recurrentes en nuestro medio. Desde estas centrales es transportada la energía a través de una red de cables denominada de alta tensión hasta empresas distribuidoras. Estas empresas tienen el objetivo de distribuir la energía eléctrica hacia los diferentes consumidores ubicados en ciudades, pueblos y lugares alejados, y para esto, utiliza un tendido de cables denominado de media tensión. Mediante transformadores de media a baja tensión la energía es acondicionada a un nivel de tensión que puede ser utilizada por los consumidores. Teniendo así, que la energía eléctrica ha llegado hasta lugares en donde los servicios de telecomunicaciones actuales no han llegado.
La necesidad de hacer más eficiente la lectura de los medidores o contadores de energía eléctrica, ha hecho que varias entidades promuevan y desarrollen nuevas tecnologías que satisfagan este objetivo. Estos avances tecnológicos permiten ofrecer un mejor servicio a los abonados, gracias a que las empresas suministradoras de energía obtienen un ahorro de tiempo y eficiencia en la lectura, corte y reconexión del servicio de energía eléctrica.
Actualmente, existen varias alternativas tecnológicas que sirven para la lectura de los contadores de energía eléctrica, en donde en la actualidad en nuestro país se empieza por la sustitución de los medidores electromecánicos, por los digitales o electrónicos. Donde en este trabajo recepcional se hará mención a estos y a las normas que lo rigen, además de una calibración de un medidor de tipo digital modelo F12H de la marca IUSA, que son los medidores autogestión que están llegando a sustituir a los medidores de elemento motor.
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En capítulo I se presenta la teoría del Medidor de Energía, los conceptos generales así como elementos o aparatos de medida que sirven para la realización de una calibración y sus unidades de medidas eléctricas donde se hace mención de la unidad Watthora, y la clasificación de medidores por su construcción, por sus conexiones internas y el tipo de uso que se le dará al watthorímetro.
En el capítulo II, se empieza por mencionar los dos diferentes tipos de medidores (Electromecánicos y Electrónicos o Digitales). Comenzado hablar sobre el funcionamiento del Watthorímetro Electromecánico y sus diferentes elementos que lo conforman haciendo mención principalmente del tipo F121 monofásico. Para poder entender así los nuevos medidores electrónicos, para así seguir con la descripción del Medidor Digital F12H sus elementos que lo conforman, sus características principales y una comparación grafica entre ellos.
En el capítulo III, cuando se halla revisado los dos primeros capítulos de este documento, se procederá a la calibración de un Watthorímetro Electrónico F12H, donde en tres dispositivos distintos y con una trazabilidad diferente comenzando con un Sistema de Calibración de Laboratorio RS – 600, equipo de calibración primaria en el Laboratorio de Metrología Divisional de la CFE, para después pasar por un sistema portátil del calibración RM – 17 de la marca RADIAN, y por ultimo una Carga Artificial Marca TESCO con un patrón de energía RM – 10, donde este lleva un patrón de energía independiente; todo esto con fin de hacer una intercomparación de procesos desde el error que arroja la calibración, asimismo con el análisis de su incertidumbre en la medición, todo esto con el fin de comprobar que se cumple con el error normalizado de calibración.
Para al final poder comprobar y tener una certera conclusión de que los Watthorímetros digitales F12H estén marcando lo que el usuario está demandando, y verificar que se cumplan con las especificaciones del fabricante desde las pruebas hasta el informa de calibración final dada en el equipo de medición.
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ANTECEDENTES. El primer medidor de energía se patentó en 1881 por T. A. Edison, en él se usó un efecto electroquímico de la corriente, el instrumento contenía una celda electrolítica, donde en el período de liquidación anticipada se colocó la placa de cobre perfectamente equilibrado. La corriente se pasa a través del electrolito para causar la precipitación de cobre. Al final del período de facturación, la placa de cobre se pesa de nuevo, y la diferencia de peso muestra la cantidad de electricidad que ha pasado por ella. Este contador está calibrado de tal manera que las cuentas se pueden mostrar en pies cúbicos de gas.
Estos contadores se siguieron utilizando hasta el final del siglo 19. Sin embargo, tenían un gran inconveniente: las lecturas de datos era un reto para la compañía eléctrica y fue imposible para el consumidor saber el monto de su consumo. Más tarde, Edison dijo contar con un mecanismo para facilitar la lectura de contadores.
Figura 1.1 Diseño de los primeros medidores.
El primer
registro de contadores de consumo de energía de precisión fue
un medidor de corriente directa diseñado por el Dr. Hermann Aron , quien lo patentó en 1883. Mas tarde, Hirst Hugo de la General Electric Company introdujo comercialmente en Gran Bretaña desde 1888, medidores que había utilizado con anterioridad, pero midiendo la
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tasa de consumo de potencia instantánea en particular. El medidor Aron registró la energía total utilizada en cierto tiempo, y lo mostró en una serie de esferas de reloj.
El primer ejemplar del watthorímetro de CA producido sobre la base desarrollada por el húngaro Bláthy Ottó y que lleva su nombre fue presentado por Ganz en las Obras en la Feria de Frankfurt en otoño de 1889, y al inducirlo, el kilowatthorímetro fue el primer medidor ya comercializado por la fábrica a finales del mismo año. Este fue el primer Watthorímetro de corriente alterna, conocido con el nombre de Bláthy-metro.
La medición de energía eléctrica que se efectúa mediante medidores o contadores, resulta de interés para calcular la cantidad de energía que la compañía suministradora debe facturar a los consumidores. También se utiliza para conocer la cantidad de energía a través de las redes de distribución que no son traducidas precisamente en trabajo útil o electromecánico por falta de compensación de cargas reactivas. Años atrás, la comercialización de la energía eléctrica se efectuaba de manera muy simple porque se facturaba en función de la unidad de energía vigente (Ah, Wh, KWh).
Sin embargo con el permanente desarrollo industrial, y la consecuente búsqueda del abaratamiento de la producción por parte de las fábricas, se hizo necesaria la aplicación de tarifas más complejas. Es importante comprender que la economía de la producción de la energía eléctrica depende de su modo de utilización, y este a su vez de múltiples factores.
Dichos factores dieron origen a la creación de una gran variedad de medidores de energía, los cuales realizan un proceso de selección por tarifa, que obliga al consumidor a ajustar sus instalaciones y su equipamiento, como también los horarios de su funcionamiento, de tal manera que la compañía productora trabaje con el mayor rendimiento de sus instalaciones de distribución. De esa manera, la energía eléctrica puede ser ofrecida a menores costos.
Históricamente, la medición de la energía eléctrica consumida por un determinado usuario fue y sigue siendo en muchos casos, realizada con el medidor electromecánico o
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instrumento electrodinámico. No obstante, en la actualidad está siendo reemplazado lentamente por dispositivos electrónicos que ofrecen mayor seguridad, eficiencia y flexibilidad para la medición de diferentes parámetros, y no solamente de energía. Estos equipos poseen memoria no volátil para almacenar datos referidos al comportamiento del sistema, que permiten realizar un seguimiento del mismo. También están adaptados para implementar un sistema de energía prepaga, que tienen bastante aceptación por parte de los distribuidores, porque permite un mejor control por fraude o hurto de energía. Para poder distinguir los medidores en cuanto a su propósito, se los puede agrupar de la manera siguiente:
Considerando el sistema de la red a través de la cual se utiliza la energía: medidores monofásicos y trifásicos (para tres y cuatro conductores). Considerando el tipo de receptor cuyo funcionamiento influye en la tarifa: medidores de energía activa, reactiva ó aparente. Considerando el horario de utilización y la máxima carga de corta duración: medidores de tarifa múltiple y de demanda máxima. Existen diferentes tipos de medidores que pueden pertenecer a uno o varios de estos grupos.
A pesar del constante desarrollo que han tenido los medidores electromecánicos en las últimas décadas, los medidores electrónicos o de estado sólido están abarcando el mercado porque no sólo realizan la misma función que los anteriores, sino que no cuentan con partes móviles o electromecánicas, evitando el error por desgastes y deformaciones. Tienen más prestaciones porque miden energía activa, reactiva y aparente, la demanda máxima, doble y multi-tarifa. Miden la tensión de línea, la corriente que está circulando, el factor de potencia, y otras características de la red, que determinan un parámetro global denominado calidad de energía.
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CAPÍTULO I: ANÁLISIS DEL MEDIDOR DE ENERGÍA En este capítulo se presenta la teoría del Medidor de Energía y los dos diferentes tipos de medidores (Electromecánicos y Electrónicos o Digitales). Para poder entender los nuevos medidores electrónicos, se analizara el funcionamiento de los medidores electromecánicos F121 (monofásicos), y sus partes principales, para así seguir con la descripción del Medidor Digital F12H.
1.1 TEORÍA DEL MEDIDOR DE ENERGÍA La industria eléctrica se la divide en cuatro etapas plenamente definidas, esto es:
Generación de energía eléctrica. Transmisión a los centros de consumo. Distribución a los diferentes consumidores. Comercialización (entrega, medición y cobro)
de la energía eléctrica al
consumidor final.
La última fase corresponde a la Comercialización. Esta etapa básicamente consiste en:
Seleccionar la tarifa y la tensión de entrega a los consumidores Medir la energía que consumen los usuarios Facturar y cobrar el servicio de consumo de energía eléctrica Diseñar y realizar estrategias de comercialización. En esta etapa es donde la energía se convierte en valores monetarios, necesarios para el funcionamiento y desarrollo de la Empresa y como consecuencia el desarrollo
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también de nuestra provincia; por lo tanto, esta etapa tiene la misma importancia que las anteriores.
La medición de la energía es el proceso más significativo dentro de la Comercialización, lo cual significa que la selección, operación y mantenimiento de los medidores merecen especial atención para evitar errores que a la postre se convertirán en pérdidas de energía con perjuicios para la Empresa de Distribución.
1.2 CONCEPTOS GENERALES 1.2.1 UNIDADES DE MEDIDAS ELÉCTRICAS
VOLT: El volt se define como la tensión eléctrica entre las terminales de un elemento pasivo en un circuito eléctrico que disipa una potencia de un watt, cuando circula por él una corriente continua de un ampere.
Símbolo
V
Unidad
Volt (V)
Instrumento de medida
Voltmetro
AMPERE: se define como la corriente que produce una tensión de un volt (1 V.), cuando se aplica a una resistencia de un ohm (1 Ω). Símbolo
I
Unidad
Amperio (A)
Instrumento de medida
Ampermetro
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POTENCIA ACTIVA: Trabajo que realizan los electrones en un circuito eléctrico.
Símbolo
P
Unidad
Watt (W)
Instrumento de medida
Wattmetro
= ∙
Formula
ENERGÍA: Es la capacidad para realizar un trabajo
Símbolo
KWh
Unidad
Kilowatt-hora (KWh)
Instrumento de medida
medidor o contador
=∙
Fórmula
1.2.2 APARATOS DE MEDIDA. Voltmetro: Misión del voltmetro es medir la diferencia de potencial o tensión existente entre dos conductores. Se conecta siempre en paralelo con la red a medir.
Figura 1.1 Diagrama de conexión de un Voltímetro.
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Ampermetro: La misión del ampermetro es medir la corriente eléctrica que circula por un conductor. Se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se desea medir. Para medir la corriente que circula por un conductor también se emplea las pinza amperimétrica, que tiene la ventaja de que no hay que hacer ninguna conexión.
Figura 1.2 Diagrama de conexión de un Amperímetro.
Wattmetro: para medir la potencia se emplean los vatímetros. Para medir correctamente, se debe conectar, a la vez, la señal de voltaje y corriente del circuito que se desea medir. Es importante considerar la polaridad del voltímetro y el sentido del flujo de la corriente para una correcta medida.
Figura 1.3 Diagrama de conexión de un Wattmetro.
Medición de potencias trifásicas: Para un sistema trifásico en estrella ó Y, utilizaremos 3 Wattmetros, en los que en cada uno de ellos se medirá la corriente de fase y el voltaje faseneutro.
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Figura 1.4 Diagrama de sistema trifásico en estrella Y.
Por otro lado, para medir la potencia trifásica de un sistema en delta, utilizaremos el método de los 2 Wattmetros, en los que se medirá la corriente de fase y el voltaje fase-fase, una de las fases hará de común.
Figura 1.5 Diagrama de sistema trifásico en delta ∆.
1.2.3 MEDIDOR DE ENERGÍA.
El medidor de energía, conocido también como Watthorímetro, es un equipo que se emplea para medir la energía suministrada a los clientes. Posibilita a la Empresa realizar una facturación adecuada de la potencia y energía consumida.
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Es un contador eléctrico o medidor de consumo eléctrico. Es un dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica de un circuito o servicio eléctrico, siendo esto su aplicación usual. Existen medidores electromecánicos y electrónicos.
Figura 1.6 Medidor Electromecánico IUSA.
1.2.4 CLASIFICACIÓN DE MEDIDORES DE ENERGIA
Los medidores de energía eléctrica, o contadores, utilizados para realizar el control del consumo, pueden clasificarse en tres grupos:
Medidores electromecánicos: o medidores de inducción, compuesto por un conversor electromecánico (básicamente un Wattmetro con su sistema móvil de giro libre) que actúa sobre un disco, cuya velocidad de giro es proporcional a la potencia demandada, provisto de un dispositivo integrador.
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Figura 1.7 Medidor Electromecánico.
Medidores electromecánicos con registrador electrónico: el disco giratorio del medidor de inducción se configura para generar un tren de pulsos (un valor determinado por cada rotación del disco, p.e. 5 pulsos) mediante un captador óptico que censa marcas grabadas en su cara superior. Estos pulsos son procesados por un sistema digital el cual calcula y registra valores de energía y de demanda. El medidor y el registrador pueden estar alojados en la misma unidad o en módulos separados.
Figura 1.8 Medidores electromecánicos con registrador electrónico
Medidores totalmente electrónicos: la medición de energía y el registro se realizan por medio de un proceso análogo-digital (sistema totalmente electrónico) utilizando un microprocesador y memorias. A su vez, de acuerdo a las facilidades implementadas, estos medidores se clasifican como:
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Medidores de demanda: miden y almacenan la energía total y una única demanda en las 24 hs. (un solo períodos, una sola tarifa). Medidores multitarifa: miden y almacenan energía y demanda en diferentes tramos de tiempo de las 24
hs., a los que le corresponden diferentes tarifas
(cuadrantes múltiples). Pueden registrar también la energía reactiva, factor de potencia, y parámetros especiales adicionales.
Figura 1.9 Medidores electrónicos digitales.
Figura 1.10 Medidor Electrónico Multifunción ION 8600.
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Los medidores se clasifican en tres grupos:
1. Tipo de Construcción. De acuerdo a la tecnología de construcción, los medidores serán:
A. Electromecánicos. B. Electrónicos.
2. Conexiones Internas. De acuerdo a las conexiones internas, los medidores serán:
A. Concéntricos. B. Excéntricos.
Figura 1.11 Diagramas en la Norma Americana y Europea.
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3. El Tipo Servicio. A. Medidor Monofásico de Dos Hilos. Medidor de un elemento (Forma 1S), conformado por una bobina de corriente y una bobina de potencial para 120 o 127V, entre fase y neutro. Es utilizado para servicios monofásicos de dos hilos.
Figura 1.12 Medidor monofásico de dos hilos.
Figura 2.13 Diagrama de Conexión de medidor monofásico de 2 hilos, Forma 1S.
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B. Medidor Monofásico de Tres Hilos. Medidor de un elemento (Forma 2S), conformado por dos bobinas de corriente y una de potencial para 220 o 240V entre fases. Su uso es restringido para medir el consumo de servicios monofásicos de tres hilos.
Figura 1.14 Medidor monofásico de tres hilos.
Figura 2.15 Diagrama de Conexión de medidor monofásico de 3 hilos, Forma 2S.
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C. Medidor Trifásico de Cuatro Hilos. a) Para medir consumo de energía trifásicos de cuatro hilos en estrella, tiene un medidor de tres elementos (Forma 16S), donde cada elemento esta constituido por una bobina de corriente y otra de potencial para 120 o 127V. fase y neutro.
Figura 1.16 Medidor Trifásico en Estrella (Y).
Figura 2.17 Diagrama de Conexión de medidor en Y, Forma 16S.
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b) Para medir el consumo de energía de servicios trifásicos en delta de cuatro hilos, se tienen dos alternativas.
I.
Con un medidor de tres elementos (Forma 17S), donde están conformados de dos elementos por una bobina de corriente y una bobina de potencial para 120V. fase neutro y el tercero por una bobina de corriente y una de potencial para 240V. fase neutro.
Figura 1.18 Medidor de tres elementos en delta (∆).
Figura 2.19 Diagrama de Conexión de medidor en ∆, Forma 17S.
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II.
Con un medidor con dos elementos (Forma 15S), donde están conformados el uno por dos bobinas y una de potencial de 240V. fase-fase y el otro por una bobina de corriente y una de potencial para 240V. fase-neutro y al cual se conectara la fase de mayor diferencia de potencia con respecto al neutro.
Figura 1.20 Medidor de Forma 15S Delta (∆).
Figura 2.21 Diagrama de Conexión de medidor en ∆, Forma 15S.
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CAPÍTULO II: MEDIDORES DE ENERGÍA. Los medidores de energía son contadores o mejor llamado Watthorímetros, son instalados en la acometida. La acometida es una derivación desde la red de distribución de la empresa de servicio eléctrico hacia la edificación. Las acometidas en baja tensión finalizan en el denominadoo centro de carga mientras que las acometidas en alta tensión finalizan en un Centro de Transformación. Este es el punto donde comienza las instalaciones internas.
Figura 2.1 Sistema Eléctrico.
La acometida normal para una vivienda unifamiliar es monofásica, de dos hilos, uno activo (fase) y el otro neutro neutro.
Figura 2.2 Diagrama de Acometida.
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2.1 PARAMETROS DE LOS WATTHORIMETROS. Se tratara sobre los parámetros generales que se pueden hallar en la caratula de los medidores ya sean electromecánicos o digitales, estos son usados para identificación, de los datos de Kilowatthoras consumidos, y los medidores electrónicos muestran en el display, la tensión, la corriente y la frecuencia entre otros parámetros.
Watt. Es la unidad práctica usada para medir la potencia activa, la cual se define como la tasa a la cual la energía es entregada al circuito. 1 = 1000 Kilowatthora. Es la unidad práctica de energía eléctrica, la cual es usada en una hora cuando la potencia es igual a un watt. 1 ℎ = 1000 ℎ Se da el nombre de constante de un medidor a la relación que existe entre el registro de la energía y el funcionamiento del medidor por el cual pasa esa energía. Estas constantes se dividen en dos tipos:
Constantes de las características del diseño electromagnético. Constantes de las características del diseño del registro. Watthoras (Wh). También conocida como constante de prueba, la Kh nos indica la energía eléctrica en Watthoras por cada revolución del disco. ℎ =
ℎ ! !
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Esta constante es asignada por el fabricante y va en función de la velocidad del disco.
Primera Reducción (Rs). Es el número de revoluciones que debe dar el disco para una revolución completa del primer engrane. =
! ! "# $
Relación de Registro. Es el numero de revoluciones que debe de dar el primer engrane del registro para que la manecilla de las unidades de una vuelta completa.
Constante del Registro (Kr). Es el factor por el cual debe multiplicarse la lectura del medidor o sea las constantes propias del medidor, cuando este no se encuentra conectado a transformadores de instrumento. =
ℎ ∙ ∙ 10,000
Factor multiplicador (Fm). Es el multiplicador por el cual hay que afectar las lecturas del medidor cuando este recibe la señal a medir, a través de transformadores de instrumento. &# = ∙ '( ∙ ')
Figura 2.3 Manecillas y disco de un watthorímetro Electromecánico.
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Los medidores son identificados por los siguientes parámetros que se mencionan:
Numero de Serie. Código del Medidor. Código de Lote. Numero de serie. Consta de seis numero alfanuméricos asignándose un número distinto a cada medidor, los medidores desde su fabricación tiene impreso en la placa de datos este número, algunos medidores adquiridos por importación, cuando no son numerados en fábrica, se numeran en las zonas de distribución.
Código del Medidor. El código del medidor consta de cuatro caracteres alfanuméricos que identifican las características eléctricas y de registro del medidor. El código del medidor está grabado en la placa.
Primer carácter: Amperes de prueba y Clase (Capacidad máxima). Segundo carácter: Fases, Hilos, Elementos, Volts, Conexión. Tercer Carácter: Tipo de Base y frecuencia. Cuarto Carácter: Registro y parámetro que mide. Ejemplo 2.1: 15 Ampers, clase 100. 1 fase, 2 hilos, 1 elemento, 120 volts. Base tipo s, 60 Hertz. KWh, mecánico.
F121
*Valores tomados de la tabla 2.1.
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Código de Lote. Consta de 4 caracteres alfanuméricos que identifican el año de fabricación, la marca y el tipo ó modelo del fabricante.
1er y 2o caracteres: Los dos últimos dígitos del año de adquisición. 3er y 4o caracteres: De acuerdo a la relación establecida por el comité nacional de claves para cada marca y tipo/modelo por fabricante.
El código de lote está impreso en la placa del medidor, Ejemplo 2.2:
2006 IUSA, tipo AP – 2005 - 11 06 JL
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Tabla 2.1 Tabla para la Codificación de Medidores.
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2.2 MEDIDORES DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICOS. El watthorímetro electromecánico o también de inducción, es un dispositivo que nos registra e integra la energía eléctrica, basando su funcionamiento en el llamado Principio Motor.
El watthorímetro de inducción al estar en operación, el par (movimiento) en el elemento móvil del watthorímetro es proporcional a la potencia que fluye a través de él, combinándose con un freno magnético para controlar su velocidad (mecanismo de retardo) y un registro para controlar el numero de vueltas en un tiempo determinado tal, mientras dure esa potencia utilizada en un lapso de tiempo.
En resumen un watthorímetro, es un cuidadoso diseño de componentes, es usado para que la velocidad del disco (o rotor) sea proporcional a los watts que tal la suma de las revoluciones del rotor representen al usuario sus Watthoras consumidos.
Un watthorímetro electromecánico o de inducción está constituido por:
Electroimán. Bobina de Potencial. Bobina de Corriente. Rotor. Sistema de Frenado. Registro. Marco, Base y Cubierta. 2.2.1 ELECTROIMÁN.
El electroimán está compuesto de laminaciones de fierro con buenas propiedades magnéticas y en el van montadas las bobinas de potencial y de corriente.
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2.2.2 BOBINA DE POTENCIAL.
La bobina de potencial consiste de un gran número de vuelt vueltas as de alambre de calibre muy delgado y debido a ello pose una gran inductancia. Esta va conectada en paralelo con la línea.
Figura 2.4 Símbolo de la Bobina de Potencial.
2.2.3 BOBINA DE CORRIENTE.
La bobina de corriente está constituida con pocas vueltas de alambre de calibre adecuado al tipo de medidor y está conectada en serie con la corriente de carga.
Figura 2.5 Símbolo de una Bobina de corriente y una representación de una bobina de corriente.
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2.2.4 ROTOR.
El rotor es un disco con una flecha ensamblada la cual tiene un engrane “sinfín” en uno de sus extremos. El disco generalmente es una aleación de aluminio con excelentes propiedades eléctricas.
Figura 2.6 Disco con su engrane sinfín.
2.2.5 SISTEMA DE FRENADO.
Los imanes permanentes o de frenado, son los reguladores de velocidad del disco y se utiliza para la calibración del medidor dentro de sus límites tolerables.
Figura 2.7 Sistema de Frenado, imanes permanentes.
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2.2.6 REGISTRO. El registro es un “Tren de Engranes” el cual va acoplado directamente al sinfín de la flecha del rotor (o disco) con la finalidad de trasmitir el movimiento del disco y así integrar la energía consumida.
Figura 2.8 Registro y tren de engranes.
2.2.7 MARCO, BASE Y CUBIERTA. El marco de un watthorímetro cumple una función muy importante que alinear y sostener firmemente los distintos componentes como son la bobina de potencial y de corriente, el rotor, los soportes del rotor y el registro en relación exacta para asegurara la estabilidad de la calibración durante la vida útil del watthorímetro.
La función básica de la base y la cubierta es de ubicar y sostener el marco de los Watthorímetros y sus elementos, así como la cubierta de protección, la bases debe también de proveer las terminales de conexión al circuito.
Los Watthorímetros de socket tienen una protección llamada apartarrayo, que envía a tierra mediante un arco eléctrico cualquier tensión excesiva que pudiera presentarse en la línea de alimentación eléctrica.
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Estos apartarrayos protegen los aislamientos de las bobinas de corriente y de tensión de un pico de tensión en los Watthorímetros. Los apartarrayos tienen un elemento limitador de corriente que asegura la extinción oportuna del arco eléctrico.
Figura 2.9 Base de Medidor.
Los Watthorímetros tipo socket tienen también empaques para asegurar que selle bien la cubierta con la base.
2.3 MEDIDORES DE ENERGÍA DIGITALES. Los medidores de energía o también llamados Watthorímetros de estado sólido son la evolución de los medidores de elemento motor. Son 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 Watthoras entre otros parámetros.
Figura 2.10 La modernización hace reemplazar los medidores Electromecánicos por Electrónicos
~ 39 ~
Su operación es básicamente igual a la que trabaja un watthorímetro electromecánico, solo que no hay movimiento de elementos móviles que sería en este caso el disco giratorio, esto hace que se anulen las perdidas por fricción, además del uso de un software para la operación de los medidores.
Los nuevos medidores electrónicos de autogestión tienen como característica principal, que pueden ser recargados mediante una tarjeta inteligente de una o así como dos vías y con memoria de almacenamiento de eventos en el medidor. Las especificaciones técnicas de fabricación deben cumplir con los requerimientos para el muestreo, para las pruebas que deben cumplir las normas vigentes de metrología.
2.3.1 CONDICIONES AMBIENTALES DE SERVICIO.
Los medidores monofásicos F12H de energía activa serán instalados en las acometidas domesticas o comerciales, en zonas de contaminación media, elevada radiación ultravioleta y elevados gradientes de temperatura, con las siguientes condiciones ambientales.
Tabla 2.2 Condiciones Ambientales.
Altura Sobre el Nivel del Mar
Desde 0 m.s.n.m. y 4500 m.s.n.m.
Humedad Relativa
5% al 95%.
Temperatura Ambiente
-10 °C a 40 °C.
Contaminación Ambiental
Media
~ 40 ~
Figura 2.11 Condiciones ambientales en la Ciudad de Xalapa.
2.3.2 CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL F12H.
Las condiciones de operación de un medidor monofásico F12H, para la facturación de energía serán utilizadas en los sistemas de distribución de baja tensión, con las siguientes características de operación. Tabla 2.3 Tensión y Configuración de la Red de Baja Tensión
Tensión Nominal del Medidor.
120 V. (Fase-Neutro)
Variación Máxima de la Tensión.
±10 %
Frecuencia
60 Hz
Los medidores electrónicos o Autogestión cuentan con un sistema de medición que permite la operación de medición en pospago, telemedición, y solo lectura usando el mismo medidor, solo configurando el medidor, de acuerdo a la regulación vigente de medición.
La unidad de medición de energía activa es el componente de medición encargado de controlar, de conectar o desconectar el flujo de energía eléctrica, dicha unidad estará compuesta por un microprocesador, un modulo de medición, una unidad de interrupción, circuitos sensores de tensión y de corriente, reloj, memoria de almacenamiento, dispositivos anti-fraude, sistema de comunicación para lectura de tarjeta sin contacto.
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Figura 2.12 Medidor Electrónico Monofásico Digital F12H, en operación.
2.3.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS MEDIDORES F12H.
Tabla 2.4 Características Técnicas Generales.
Tipo de Funcionamiento.
Watthorímetro Monofásico de Estado Solido.
Numero de Fase.
1 Fase, 2 Hilos y 1 Elemento.
Tensión Nominal.
120 V.
Frecuencia Nominal
60 Hz.
Clase
15 (100) A.
Forma
1S
Clase de Exactitud
0,5 % de Error.
Pantalla.
Cristal Liquido
Registro.
Watthoras, Bidireccional.
Dentro los requisitos generales de los medidores o lo que se muestran en caratula, presentado en la tabla 2.4, se muestra la forma del medidor y el F12H tiene una forma 1S o
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de tipo Socket, que son los medidores más recurrentes en el entorno. También existen otros tres requisitos primordiales para la fabricación de medidores electrónicos como son los siguientes:
Requisitos de diseño y Construcción. Requisitos Mecánicos. 2.3.3.1 Requisitos de Diseño y de Construcción.
Los requisitos de diseño y construcción se refiere a las especificaciones que los proveedores de estos medidores como puede ser IUSA o ELECTROEMETER deben tomar en cuenta y son las siguientes:
Protección contra la corrosión de todas sus partes metálicas externas. Accesibilidad y Simplicidad. Conexionado por la parte frontal inferior, para colocar el comunicador óptico. Previsión para que todos los componentes puedan operar con elevada radiación ultravioleta, y elevado gradiente de temperatura, pues estos operan a la intemperie. Lectura de tarjeta sin contacto por la parte superior o frontal del medidor. Grado de protección IP51 o superior. 2.3.3.2 Requisitos Mecánicos.
Los requisitos mecánicos son las especificaciones que debe tener un medidor para resistir agentes externos al medidor. Los medidores se diseñaran y construirán de tal manera que no presente ningún peligro y sin que el usuario tenga contacto físico o interacción directa con el medidor, en servicio normal y en condiciones normales de uso, para asegurar especialmente:
La protección de las personas contra descargas eléctricas. La protección de las personas contra efectos de la temperatura excesiva.
~ 43 ~
La no propagación del fuego. 2.3.4 ESPECIFICACIONES DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES.
Los medidores electrónicos en este caso el medidor F12H tiene características parecidas en funcionamiento a su antecesor el medidor electromecánico en su clase F121
15 Ampers, clase 100. 1 fase, 2 hilos, 1 elemento, 120 volts. Base tipo s, 60 Hertz. KWh, Mecánico Indicativo.
F12H
Dentro de las partes más importantes del Medidor Electrónico Digital F12H son las siguientes:
Base. Tapa principal del medidor. Bloque de terminales. Elementos indicadores del medidor. Eventos almacenados en el medidor. Relé de desconexión y reconexión. Esquema de conexión. Placa de identificación de datos o datos técnicos. Característica del medidor. Programación de medidores. Capacidad de autogestión.
~ 44 ~
2.3.5 BASE.
Será construida rígida y preferentemente de una sola pieza, donde estarán alojados la fuente de alimentación, los elementos de medida y el modulo electrónico; en la tapa principal se ubicara la tapa principal y la tapa borde respectiva.
El material utilizado en la fabricación será de policarbonato u otro material no metálico técnicamente garantizado mediante normas de fabricación, altamente resistente a los golpes, corrosión, radiación ultravioleta y variación brusca de la temperatura. Deberá ser de tipo no combustible, ni deformable por calentamiento.
La base estará provista de agujeros para sujeción de la tapa con tornillos metálicos del tipo cabeza agujerada que permitan incorporar precintos de seguridad. Dichos tornillos estarán provistos de un seguro que impida su caída libre. No se aceptaran tornillos de otro material.
Figura 2.13 Base del Medidor Monofásico Digital F12H de Forma1S.
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2.3.6 TAPA PRINCIPAL DEL MEDIDOR.
El diseño de la tapa debe satisfacer los requisitos de impermeabilidad para que no ingrese polvo ni humedad. El material usado en su fabricación deberá ser vidrio o policarbonato no degradable con el paso de los años ni con la variación brusca de la temperatura y resistir golpes, corrosión, a la radiación ultravioleta y descargas eléctricas.
Los medidores garantizaran un adecuado grado de hermeticidad, a prueba de polvo y humedad, cumpliendo el grado de protección IP51* o superior.
De ser necesario, la tapa deberá ser fijada mediante anillos metálicos de fijación de cabeza agujerada que permitan instalar sellos o precintos de seguridad ante acto fraudulentos. Dichos tornillos tendrán provistos un seguro que impida su libre caída.
Todos los sellos de seguridad a ser empleados en el medidor de energía serán de material metálico y deberán ser suministrados con el medidor.
Figura 2.14 Tapa Principal del Medidor. *La protección IP51 refiere a una hermeticidad de grado 95 a prueba de polvo y humedad que puedan afectar el funcionamiento del medidor.
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2.3.7 BLOQUE DE TERMINALES.
Será fabricado del mismo material que la base u otro con propiedades mecánicas y eléctricas superiores. Deberá garantizar una excelente rigidez mecánica, un alto grado de aislamiento eléctrico y resistente a los efectos de cortocircuito; asimismo, deberá garantizar una alta resistencia a la corrosión, a la radiación ultravioleta, a la variación brusca de temperatura, a la humedad, a los solventes orgánicos, y otros mayormente presentes en el medio ambiente.
Podrá ser fabricado de una sola pieza con la base del medidor. En el caso de piezas independientes, será fijado mediante dispositivos o procesos que garanticen su rigidez mecánica.
Los orificios en el material aislante que sean de una prolongación de los orificios de los bornes, deben tener el tamaño suficiente para permitir la fácil introducción de los conductores incluyendo su aislante. El conductor de cobre de 4 mm2 de sección nominal.
Los bornes de conexión y los tornillos de las terminales serán de bronce tratado para proteger y evitar el efecto galvánico del conexionado. Los bornes de conexión deberán estar insertados en el bloque de terminales y deberán ser accesibles desde la parte frontal del medidor.
El bloque de terminales será protegido con una tapa en configuración corta, independiente a la tapa del medidor y fabricado de policarbonato auto-extinguible muy resistente a la radiación ultravioleta, a la variación brusca de temperatura, a la humedad, a los solventes orgánicos y otros mayormente presentes en el medio ambiente. La tapa del bloque de terminales será fijada adecuadamente mediante tornillos de cabeza agujerada, que permitan la instalación de precintos y evitar acciones fraudulentas. Los tornillos también deberán estar previstos de un seguro que impida su caída libre.
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Figura 2.15 Bloque de terminales de un medidor multifunción ION 8600.
2.3.8 ELEMENTOS INDICADORES DEL MEDIDOR.
Deberá estar provisto de uno o más lámparas de tipo LED, indicaciones por medio del display LCD y/o señales sonoras que permitan identificar el estado del medidor sin la necesidad de tener que disponer de elementos especiales de verificación. Entre otros deberán permitir identificar los estados siguientes:
Las dimensiones de la pantalla de acuerdo a las dimensiones de los dígitos, de tal forma que los muestre totalmente descubiertos. La pantalla debe poseer condiciones apropiadas para permitir su lectura de forma completa sin interferencia en la línea visual de cualquier componente del medidor. La altura mínima de los dígitos debe ser de 7,62 mm (0,300 pulgadas), con un ángulo visual vertical y horizontal de ± 15° y ± 10° respectivamente, desde el centro de la pantalla (display). La condición de visualizar la
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pantalla hasta una distancia de 2 m al exterior y con luz de día. Las cantidades medidas se deben indicar en la pantalla con al menos 5 dígitos.
Las lecturas en pantalla LED del medidor, son las siguientes. 1. Estado de activación de la unidad de medición. 2. Estado del detector del fraude. 3. Valores instantáneos. a) Potencia activa. b) Prueba de segmentos. c) Factor de potencia. d) Corriente RMS. e) Tensión RMS. f) Frecuencia. 4. Valores acumulados. a) Consumo acumulado en kWh. b) Consumo mensual en kWh. c) Numero de desconexiones. d) Demanda máxima del último mes. e) Saldo actual kWh. f) Alarma de saldo bajo, tanto en pantalla como en LED. g) Alarma de fecha de corte programado. h) Estado del dispositivo del corte (Conectado – Desconectado). i) Fecha y hora actual.
Asimismo, la unidad de medición deberá contar con un LED emisor de pulsos de luz para su calibración.
Contar con un puerto óptico para la calibración de acuerdo a la norma.
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Figura 1.16 Medidor F12H monofásico en operación, mostrando sus dígitos del display.
2.3.9 EVENTOS ALMACENADOS EN EL MEDIDOR.
El medidor debe ser capaz de almacenar al menos 30 eventos al mes, indicando fecha y hora de ocurrencia.
1. Interrupción por falta de saldo. 2. Interrupción a voluntad del cliente. 3. Interrupción por falta de suministro eléctrico. 4. Interrupción por superar la demanda contratada. 5. Interrupción efectuada por desconexión. 6. Interrupción por fecha de corte programado y falta de pago. 7. Interrupción por alta tensión y baja tensión (programado). 8. Reporte por falla de medidor. 9. Eventos de recarga de saldo. 10. Monto de recargas en kWh. 11. Inversiones.
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Figura 2.17 Forma de trabajar de la memoria con un microprocesador dentro de un medidor.
2.3.10 RELÉ DE DESCONEXIÓN Y RECONEXIÓN.
El medidor deberá contar con un relé bipolar que permita efectuar las siguientes funciones básicas principales.
1. Corte de servicio, cuando la energía comprada por el usuario ha sido totalmente consumida. 2. Corte del servicio por intento de apertura de la unidad de medición. Ilícito. 3. Reconexión del servicio, cuando usuario descarga en el medidor la energía de su última compra.
El medidor deberá poseer un dispositivo que permita la detección de la “energía inversa” por la inversión de los cables de la línea de suministro y de la carga, debiendo garantizar que el medidor continuara operando, midiendo y contabilizando el crédito normalmente.
1. Corte y reconexión a voluntad del cliente. 2. Capacidad de interrupción del modulo de corte sin presencia de arco eléctrico.
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Figura 1.18 Relé de conexión y desconexión.
2.3.11 ESQUEMA DE CONEXIÓN.
Deberá estar grabado en la placa de características del medidor o en la parte posterior de la tapa del bloque de terminales.
Figura 1.19 Esquema de conexiones en un medidor de 2 Hilos, de Forma 1S Monofásico.
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2.3.12 PLACA DE IDENTIFICACIÓN O DE DATOS TÉCNICOS.
Ubicada y convenientemente fijada en el interior del medidor. La información contenida estará expresada en idioma español, registrado en forma indeleble, fácilmente visible y legible desde el exterior. Necesariamente deberá contener toda información que se detalla a continuación.
1. Razón social o marca del fabricante. 2. Norma de fabricación. 3. País de fabricación. 4. Numero de serie de fabricación. 5. Tipo de medidor. 6. Esquema de conexión del medidor. 7. Numero de fases. 8. Principio de funcionamiento. 9. Numero de hilos. 10. Tensión nominal. 11. Corriente nominal. 12. Frecuencia nominal. 13. Sobrecarga admisible. 14. Clase de precisión. 15. Constante del medidor Kh. 16. Temperatura nominal. 17. Año de fabricación. 18. Exactitud. 19. Modelo.
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Figura 1.20 Caratula de Medidor F12H con su etiqueta de Calibración OK.
2.3.13 CARACTERÍSTICA DEL MEDIDOR
El medidor debe contar con sistema propio que realice una auto-prueba auto de las funciones primarias del mismo, así como una alarma que indique la falla del módulo dañado.
Figura 1.21 El display muestra en su display cuando hay algún error o un modulo dañado.
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2.3.14 PROGRAMACIÓN DE LOS MEDIDORES
La manera de programar la configuración de cada medidor es por medio de la tarjeta inteligente sin contacto, en el software se crearán plantillas de configuración personalizadas indicando las características que se deseen en el medidor, posteriormente y se podrán definir la plantilla asignada a cada usuario en particular, pudiendo actualizar los datos del medidor por medio de la tarjeta en la próxima recarga.
Figura 1.22 Medidor y su tarjeta de inteligente de operación.
2.3.15 CAPACIDAD DE AUTOGESTIÓN
El medidor debe permitir operar a los medidores tanto en modalidad de prepago, pospago, telegestión o solo lectura. Debe ser capaz de llevar la contabilidad de un saldo en kWh, y actuar sin necesidad de órdenes externas en base a la cantidad disponible de dicho saldo, de acuerdo con lo siguiente: 1. Desconectar la carga del usuario cuando el saldo se agote. 2. Reconectar la carga cuando se le ingrese un nuevo saldo. 3. Interrumpir por fecha de corte programada y falta de pago.
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4. Desconectar/reconectar la carga a requerimiento del cliente. 5. Aceptar cantidades discretas de saldo por elección del cliente.
Figura 2.23 Tarjeta Inteligente de Prepago.
2.4 MEDIDOR ELECTRONICO. 2.4.1 GENERALIDADES DE UN MEDIDOR DE ESTADO SOLIDO.
Relaciones Fundamentales entre un medidor Electromecánico y un medidor Electrónico.
Electromecánico.
Solido.
Bobina de Potencial.
Sensor de Voltaje.
Bobina de Corriente
Sensor de Corriente.
Disco e Imán.
Transductor de Watts.
Función de Registro.
Microprocesador.
Manecillas.
Pantalla de Cristal Líquido.
Engranaje de Registro.
Memoria no volátil.
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Figura 2.24 Comparación entre medidor Digital (izquierda) y Electromecánico (derecha).
Sistema de Computadora.
Entradas
Procesador
Salidas
Memoria
Figura 2.25 Esquema de Trabajo de un medidor Electrónico.
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El medidor es una computadora.
Figura 2.26 Relación en bloques de un medidor con una computadora.
Figura 1.27 Diferentes Tipos de medidores Electrónicos Monofásicos. KP2W, F12H, y F129 respectivamente de izquierda a derecha.
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CAPÍTULO III. PRUEBAS. Una de las características principales de un medidor de exactitud. Con la mejora en las exactitudes de los medidores modernos, la verificación de estos requiere más cuidados. Sin embargo el mismo avance tecnológico, en la mayoría de los casos, ofrece equipos de prueba que simplifican las pruebas de verificación.
Los conceptos principales que se deben tener en cuenta son los siguientes:
1. Trazabilidad. La trazabilidad es la propiedad de un resultado de medición consistente en poder relacionarlo con patrones apropiados generalmente internacionales o nacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones. En la verificación de medidores se comparan sus lecturas con las lecturas de un medidor patrón el cual debe ser trazable y de una exactitud mejor a la del medidor bajo prueba. Para la calibración de Watthorímetros, la CFE tiene como política pedir una delación de 4:1. Entre la exactitud del medidor y el patrón.
Para qué el equipo pueda ser utilizado como patrón o referencia es necesario que tenga trazabilidad, que cumpla con la relación de exactitudes y que tenga una verificación de calibración vigente.
2. Exactitud. La exactitud es la proximidad de concordancia entre el resultado de una medición y el valor de la magnitud media (valor aceptado o verdadero). A continuación se describen tres diferentes formas de expresar la exactitud en equipos de medición.
a) Exactitud expresada como clase. Es un número que define la exactitud del medidor para condiciones nominales. Para valores diferentes a las nominales se define una curva, cuyos valores no son necesariamente iguales al valor de la
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clase. Esta forma de definir la exactitud es de la más completa ya que incluye un límite para el error permitido en todo el rango de operación del medidor.
b) La exactitud expresada como un porciento de error a escala completa. Aquí se define el valor del error permitido cuando se tiene el valor máximo de lectura. A menos que se ofrezca una formula o grafica para el resto de los valores en operación, en general no se tienen la certeza de la exactitud que ofrece el medidor en todo su rango de operación. Una de estimar la exactitud para cualquier valor es aplicarle el error a escala completa.
c) La exactitud expresada como un por ciento del valor de entrada, más un error debido a la incertidumbre del digito menos significativo. Esta exactitud se utiliza básicamente en valores promedio o instantáneos mostrados en forma digital. Para hacer esto despreciable la incertidumbre del último digito, es necesario mostrar la lectura con un mínimo de dígitos que pueden ser enteros o decimales. La exactitud de una lectura digital junto con el valor de entrada definen el mínimo de dígitos y la resolución con que se debe mostrar dicha lectura.
Cada fabricante puede especificar la exactitud según le convenga o según su certificado de pruebas. Lo más normal es realizar las pruebas bajo una norma internacional y en la especificación de la exactitud hacer referencia a dicha norma. Es tarea del usuario verificar que la exactitud ofrecida por el fabricante coincida con sus expectativas.
3. Error. El error es el resultado de la medición menos el valor verdadero de la magnitud medida. A diferencia de la exactitud, que define los límites de tolerancia, el error es el valor definitivo que califica al medidor.
4. Resolución. La resolución es la variación mínima que puede mostrar una lectura y puede expresarse en porciento de la escala completa, en un valor en unidades de
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ingeniería o bits. La resolución como porcentaje debe tener un valor menos al valor de la exactitud para un punto determinado.
5. Incertidumbre. La incertidumbre es la variación que tiene la lectura del medidor con respecto a su valor medio. De manera similar a la resolución, se expresa en por ciento del valor de entrada, en un valor en unidades de ingeniería o bits. Este concepto es el menos utilizado, pero no por eso
deja de ser importante. La
incertidumbre, normalmente, acompaña al valor de la exactitud. Mientras mas bajo en la escala este la señal de entrada más importante se vuelve el efecto de la incertidumbre.
En la figura se muestra en forma grafica algunos de los conceptos descritos. La posición de la aguja varía entre las mostradas con la línea punteada, mientras que el valor medio es el que se muestra con la línea solida. Por lo tanto “I” representa la incertidumbre, “E” el error que es el la diferencia entre la lectura medida “L” y la lectura verdadera para escala a completa “C”. Finalmente “R” es la resolución de la caratula.
Figura 3.1 Caratula a escala completa de incertidumbre de una medida.
~ 61 ~
3.1 CALIBRACIÓN DEL WATTHORÍMETRO DIGITAL F12H (SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE LABORATORIO RS – 600). El Sistema de Calibración de Laboratorio RS – 600 se ha calibrado a una temperatura ambiente de 23 ° C ± 5 ° con normas e instrumentos que son trazables al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). El conjunto de referencia que apoya este sistema de calibración se calibra en un horario que se ajusta para mantener la trazabilidad en el nivel de precisión requerido.
Exactitud: El peor caso de ± 0,02%, al día de calibración 0,008%. Estabilidad: Se incluye dentro de las especificaciones de precisión Requisitos de alimentación: 120 VAC, 15 A, monofásica Frecuencia de alimentación: 48-62 Hz Días de intervalo de recalibración: 365 días. Funciones: de watt-hora de medición, y VARhoras Qhorss Tensión de prueba: 60 a 600 V (incrementos de 1 watt) Corriente de prueba: 0,2 a 50 A (incrementos de 0.25 amperios) Frecuencia de prueba: 47-63 Hz (incrementos de 1 Hz) Prueba de ángulo de fase: 0-360 grados (incrementos de 1 grado)
Figura 3.1.1 Ilustración del calibrador RS – 600.
~ 62 ~
El RS-600 Multifunción Syntron sistema de prueba es un laboratorio de calibración automática sistema. La aplicación principal de la RS-600 es la prueba de campo y de las normas primarias. El RS – 600 pondrá a prueba estos dispositivos con los peores casos de exactitud de 0,02%, incluyendo estabilidad. El RS – 600 sustituirá a las normas vigentes, las referencias y los dispositivos de carga así como para proporcionar un sistema completo de referencia primaria de gran exactitud y una eficiencia óptima. El RS-600 soporte de watt-hora, y las funciones de VARhora Qhora que permite a las pruebas de los estándares multifunción y los medidores de estado sólido.
Figura 3.1.2 Ilustración del calibrador RS – 600.
Una ventaja importante de la RS-600 es su funcionalidad extremadamente flexible. Aunque diseñado para servir como un sistema de referencia principal para pruebas de campo y los estándares de laboratorio, varias mejoras y los accesorios permiten para la prueba de medidores de watthora de facturación, voltímetros, amperímetros, vatímetros y medidores de ángulo de fase.
~ 63 ~
Figura 3.1.3 Mesa de calibración RS – 600 en el laboratorio de Metrología Divisional del CFE.
RS-770 Prueba de funcionamiento de base de medición.
Figura 3.1.4. Figura del la base socket.
~ 64 ~
Las lecturas realizadas en la calibración del Watthorímetro Digital F12H en el calibrador RS – 600 son las siguientes.
Figura 3.1.5 Tabla de valores de lectura del medidor en el RS – 600.
La calibración de la Mesa de Calibración RS – 600 a la fecha de 01/Julio/2011 en sus parámetros de error e incertidumbre de 120 Volts, 15 Amperes y F.P. Unitario; para un factor de cobertura (k) igual a 2 con un nivel de confianza (NC) del 95% aproximadamente son los siguientes:
**+* = ,
-./0 ./
621034 ℎ = 2100% ℎ
= 621036 % → = 0,0006%
89:* ;?*: = @A B=
-./0 ./
4121034 ℎ 2100% ℎ
B = 4121036 % → B = 0,0041%
~ 65 ~
A partir de los valores de error en Carga Alta, Carga Inductiva y Carga Baja se realizan las siguientes operaciones para calcular su incertidumbre.
Figura 3.1.6 Calibración del Watthorímetro Digital F12H en Carga Alta.
1. Calculo de incertidumbres en Carga Alta.
Lecturas de Carga Alta. 15 Amperes, 120 Volts, y F.P. 1,0 -0,037 % -0.094 % -0,028 %
Se calcula el mesurando. D =
DA + DF + DG H
~ 66 ~
IJ =
K−0,037%O + K−0,094%O + K−0,028%O 3 IJ = −0.053%
Se calcula el Factor de Cobertura. Donde Error del patrón es Ep=0,0006% U9 = − V
& = −K0,0006%O & = −0,0006% % : = DV − U9
% = −0,053 − K−0,0006%O % = −0,0524%
Se calcula la desviación estándar S. W=X =X
[ OF YKZ; − Z H−A
K−0,037 − K−0,053OO\ + K−0,094 − K−0,053OO\ + K−0,028 − K−0,053OO\ 3−1 ] = 0,03579106%
Incertidumbre de Dispersión.
~ 67 ~
^_W = Babc =
W
`H
0,03579106 `3
Babc = 0,020663978% Incertidumbre por Resolución, siento que la resolución se toma a los tres dígitos mas sobresalientes por lo tanto la Resolución es 0,001%. ^d W =
d:e+f=9;ó8
Bhic =
F`G
0,001 2`3
Bhic = 0,000288675% Estabilidad del RS – 600 desde 01 de Julio del 2011 hasta el día de calibración del Watthorímetro F12H el día 25 de Marzo del 2012, siendo 269 días naturales transcurridos.
Figura 3.1.7 Estabilidad del RS – 600.
~ 68 ~
K0,012%OK269 líO 365 lí
jk!! = 0,008% +
jk!! = 0,016843835% ^ Wn =
Bicp =
e o?;f;