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Automatización en el entorno de programación LabVIEW de un sistema flexible de instrumentación aplicado a las medidas eléctricas

De
245 pages

Este proyecto surgió de la idea de automatizar los instrumentos de medida de precisión presentes en el Laboratorio de Medidas Eléctricas del Departamento de Física de la Universidad Carlos III de Madrid. La automatización de un proceso de medida reduce el fallo de origen humano, minimizando el daño catastrófico sobre la instrumentación, que provoca una mala gestión en el uso de la misma. La automatización posibilita trabajar con más de un instrumento de manera simultánea y permite realizar procesos de forma continua por medio de secuencias programadas, lo que añade robustez al sistema. Por otra parte, se reducen los tiempos de recopilación y procesamiento de la información obtenida, permitiendo un conocimiento más detallado del proceso de medida. Además, permite la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico del instrumento. Para el desarrollo de este proyecto se dispuso de la siguiente instrumentación: multímetro Agilent 34401A, nanovoltímetro Keithley 182, picoamperímetro Keithley 6487, electrómetro Keithley 6517A y SourceMeter Keithley 2410. También se ha contado con un ordenador de sobremesa y un ordenador portátil y tarjetas GPIB-PCI y GPIB-USB de National Instruments. Todos los programas de control y automatización de la instrumentación fueron implementados en la plataforma de desarrollo gráfico LabView de National Instruments. Este lenguaje de programación permite crear una interfaz de usuario, intuitiva y de fácil manejo, que proporciona una mejor interacción con los instrumentos. Los objetivos del proyecto han sido: - Estudiar los fundamentos de las técnicas de medida de magnitudes eléctricas mediante el uso de instrumentos de alta precisión. - Aprender el manejo de los instrumentos de medidas eléctricas cuyo funcionamiento se pretende automatizar: multímetro, nanovoltímetro, picoamperímetro, electrómetro y SourceMeter. - Adquisición de conocimientos de la programación G bajo el entorno gráfico de LabView. - Llevar a cabo el montaje físico de la interfaz de comunicación de los distintos instrumentos de medida y el sistema de control (ordenador). - Desarrollar programas modulares y de aplicación específica que permitan el control y la automatización de los instrumentos de medidas eléctricas en laboratorio, así como la adquisición de los datos generados y su posterior almacenamiento para su estudio. Realización de medidas experimentales en muestras conocidas de óxido cerámico que permitan comprobar el correcto funcionamiento de las aplicaciones desarrolladas. - Creación de archivos auto-ejecutables que proporcionen portabilidad global a los programas desarrollados. Los archivos permiten instalar los programas modulares y de aplicación específica para que sean ejecutados con independencia del ordenador, aunque no tenga instalada la plataforma de programación LabView.
Ingeniería Técnica en Electrónica
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
DEPARTAMENTO DE FÍSICA



AUTOMATIZACIÓN EN EL ENTORNO DE 
PROGRAMACIÓN LABVIEW DE UN SISTEMA 
FLEXIBLE DE INSTRUMENTACIÓN APLICADO A 
LAS MEDIDAS ELÉCTRICAS 
 

PROYECTO FIN DE CARRERA
INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL ELECTRÓNICA 

AUTOR: JACOBO OJEDA GARCÍA
TUTOR: MIGUEL TARDÍO LÓPEZ

MARZO, 2011 



























































































































































“Mide lo que sea medible y haz medible lo que no lo sea”


Galileo Galilei




































































Agradecimientos:


A mi tutor Miguel Tardío por la ayuda recibida en la realización de este trabajo y
por su comprensión.
Al Departamento de Física de la Universidad Carlos III de Madrid por
permitirme la realización de este proyecto.
A mi familia, por el apoyo ofrecido en estos años.
A Laura, por su apoyo constante.


















































ÍNDICE

ÍNDICE DE CONTENIDOS .................................................................................................. I
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... VI
ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................... XIV


ÍNDICE DE CONTENIDOS



1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS................................................................................... 1

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS E INSTRUMENTACIÓN ............................................. 5
2.1. Medidas eléctricas. Elementos de un sistema de medida .......................................... 7
2.1.1. Requerimientos básicos de una medida. Límites teóricos de una medida
eléctrica ........................................................................................................................ 8
2.1.2. Instrumentos de medidas en corriente continua ................................................. 9
2.1.2.1. Electrómetros .............................................................................................. 9
2.1.2.2. Multímetro digital (DMM) ....................................................................... 11
2.1.2.3. Nanovoltímetros ....................................................................................... 12
2.1.2.4. Picoamperímetros ..................................................................................... 13
2.1.2.5. Fuente integrada en el instrumento de medida (SMU). SourceMeter ...... 13
2.1.3. Funcionalidad de un sistema de medidas eléctricas ......................................... 15
2.1.3.1. Elementos que afectan a la funcionalidad ................................................ 16
2.1.3.2. Especificaciones técnicas de los instrumentos modulares de precisión
que forman el sistema de medidas eléctricas ......................................................... 16
2.1.3.2.1. Nanovoltímetro Keithley 182 ........................................................... 16
2.1.3.2.2. Multímetro digital Agilent 34401A .................................................. 18
2.1.3.2.3. Picoamperímetro Keithley 6487 ....................................................... 21
2.1.3.2.4. Electrómetro Keithley 6517A 23
2.1.3.2.5. SourceMeter Keithley 2410 .............................................................. 27
2.1.3.3. Conexiones, cables y software ................................................................. 31
2.1.3.3.1. Nanovoltímetro Keithley 182 ........................................................... 33
2.1.3.3.2. Multímetro digital Agilent 34401A .................................................. 33
2.1.3.3.3. Picoamperímetro Keithley 6487 ....................................................... 34
2.1.3.3.4. Electrómetro Keithley 6517A 35
2.1.3.3.5. SourceMeter Keithley 2410 .............................................................. 39
2.1.4. Interfaz ............................................................................................................. 43
2.1.4.1. General Purpose Interface Bus (GPIB) ................................................... 44
2.1.4.2. Modos Device Dependent Command (DDC) y Standard Commands
for Programmable Instruments (SCPI) .................................................................. 47
2.1.4.3. Virtual Instruments Software Architecture (VISA) e Interchangeable
Virtual Instruments (IVI) ....................................................................................... 48
2.1.4.4. Programas para la comunicación GPIB .................................................... 49
I

ÍNDICE

2.1.4.5. Programación GPIB ................................................................................. 50
2.2. Elementos y parámetros básicos de un sistema de medidas .................................... 51
2.2.1. Parámetros básicos de un instrumento ............................................................. 51
2.2.1.1. Diagrama de bloques del instrumento ...................................................... 51
2.2.1.2. Resolución/sensibilidad ............................................................................ 52
2.2.1.3. Precisión/Exactitud/Incertidumbre ........................................................... 53
2.2.1.4. Velocidad/bajo ruido ................................................................................ 54
2.2.2. Medidas de señales en corriente alterna (CA) ................................................ 55
2.2.2.1. Muestreo. Teorema de Nyquist ................................................................ 55
2.2.2.2. Formas de medir una corriente alterna ..................................................... 57
2.2.3. Parámetros críticos de funcionamiento ........................................................... 57
2.2.3.1. Especificaciones y error en la instrumentación. Previsión de error ......... 57
2.2.3.2. Calibración ............................................................................................... 59
2.2.4. Fuentes comunes de error 59
2.2.4.1. Captura de ruido externo .......................................................................... 60
2.2.4.2. Resistencia de las conexiones ................................................................... 60
2.2.4.3. Fuerza electromotriz (FEM) térmicas en conexiones ............................... 61
2.2.4.4. Carga de la impedancia de entrada ........................................................... 62
2.2.4.5. Capacidad / Tiempo de estabilización ...................................................... 63
2.2.4.6. Lazos de tierra .......................................................................................... 64
2.2.4.7. Guarda ...................................................................................................... 66
2.2.4.8. Ruido Johnson 67
2.2.4.9. Interferencias magnéticas ......................................................................... 69
2.2.4.10. Interferencias electromagnéticas (EMI) ................................................ 71
2.3. Sistemas de medidas basados en PCs ...................................................................... 71
2.3.1. Sistemas basados en una interfaz para adquisición de datos (DAQ) .............. 72
2.3.2. Plataforma de software para la programación de instrumentos modulares...... 73
2.4. Circuitos de medidas. Aplicaciones 74
2.4.1. Medidas en dispositivos bajo test (DUT) de alta resistencia ........................... 74
2.4.1.1. Medidas en DUT de alta resistencia y baja corriente ............................... 74
2.4.1.2. Métodos para medida en dispositivos bajo test (DUT) de alta
resistencia .............................................................................................................. 74
2.4.1.2.1. Configuración con anillo de guarda .................................................. 74
2.4.1.2.2. Medidas de resistencia/resistividad de volumen y superficie ........... 78
2.4.1.2.3. El método de voltaje constante ......................................................... 81
2.4.1.2.4. El método de corriente constante ...................................................... 83
2.4.2. Medidas en dispositivos bajo test (DUT) de baja resistencia .......................... 84
2.4.2.1. Medidas de baja resistencia y baja tensión ............................................... 84
a) Voltaje de offset ........................................................................................... 85
b) Potenciales termoeléctricos .......................................................................... 85
c) Ruido Johnson .............................................................................................. 89
d) Interferencias electromagnéticas (EMI) ....................................................... 89
e) Interferencias magnéticas ............................................................................. 90
f) Lazos de tierra ............................................................................................... 90
II

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