nº3 instrumentos de medición eléctrica

EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE MEDICION ELECTRICA
Los instrumentos de medición eléctrica de uso más común, tanto para
corrientes continuas como variables (alternas), son entre otros los siguientes:
• Galvanómetro (CC)
• Amperímetro (CC y CA)
• Voltímetro (idem ant)
• Multímetro o tester (idem ant)
• Watímetro (CA)
• Frecuencímetro (CA)
• Puente de Wheatstone (CC)
• Medidores de energía (CC y CA)
• Ohmímetros (CC y CA).
Se dará a continuación una breve descripción de los instrumentos más
comunes, y que serán utilizados en los T.P de electricidad.
1) Galvanómetro
El galvanómetro es un instrumento muy sensible, utilizado tanto para la
detección como para la medición de corrientes pequeñas. Todos los tipos se basan en el
mismo fundamento y se ajustan a las siguientes características: una bobina de cuadro
móvil sometida a la acción de un campo magnético. Cuando la corriente recorre el
arrollamiento de la bobina, ésta acusa la interacción de la corriente con el campo (que se
encuentra fijo), produciéndose el giro de aquella, la cual está solidaria a una aguja. El
ángulo descripto por el cuadro dá una medida de la corriente que pasa por él. El aparato
de D'Arsonval es el tipo más corriente de galvanómetro.
ESPEJO
HILO DE SUSPENSIÓN DE
BRONCE FOSFOROSO
BOBINA Y
NUCLEO
IMÁN
PERMANENTE
N
BOBINA Y
NUCLEO
IMÁN
PERMANENTE
S
RESORTE Y
SU APOYO
N
S
PIEZAS POLARES DE
HIERRO DULCE
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Con el objeto de poder medir corrientes superiores a la que admite el
aparato, y proteger a éste de intensidades excesivas, los galvanómetros vienen
equipados con "shunts" (que son resistencias conectadas en paralelo con la bobina del
instrumento).
2) Amperímetro
Es el instrumento que se utiliza para medir la intensidad de la corriente
que circula por un conductor eléctrico. Los hay para medir corriente continua
únicamente o para ambas corrientes (CC y CA). Los amperímetros pueden ser: a) de
imán permanente (fijo) y bobina móvil. b) de hierro móvil. En los primeros, el ángulo
de desviación de su índice (aguja, rayo luminoso) es proporcional a la intensidad de
corriente que circula por él. Razones constructivas limitan el valor máximo de corriente
medible a algunos miliamperios.
En los de uso indistinto (CC y CA), su acción se basa en el principio de
que la corriente que circula produce un calentamiento por el efecto Joule, proporcional
al cuadrado de la corriente que circula (para CA, el valor de corriente es el valor eficaz
y no el instantáneo).
Con respecto a la forma correcta de conectarlo a un circuito, el mismo
deberá estar en serie con la carga o consumo, de tal forma que a través del mismo solo
pase la corriente que se trate medir. Deberá poseer una resistencia interna lo más baja
posible, a fin de disminuir el error por consumo propio del instrumento. Esto hace que
sea susceptible de ser dañado si no se lo conecta debidamente.
Internamente los amperímetros cuentan con resistencias conectadas en
paralelo (denominadas shunts), convenientemente escogidas, a través de las cuales pasa
la mayor parte de la corriente, mientras que el resto circula por la bobina propiamente
dicha del aparato. Estos shunts permiten que un mismo instrumento obtenga una amplia
gama de escalas de corrientes medibles (por ej.0 -1 mA; 0 -1A; 0 -10 A)
La corriente indicada por el instrumento es la relación entre la tensión
entre sus bornes y la resistencia interna del mismo:
Ia =
Va
Ra
I
Ia
Is
FEM
Ra
SHUNT
CARGA O
CONSUMO
Rs
A
AMPERIMETRO
Del esquema de la figura se deduce que:
I = Ia + Is
Rs I s = Ra I a = Rs ( I − I a )
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Rs =
Ra Ia
I − Ia
Ra Ia = Rs I − Rs I a
Ra Ia + Rs Ia = Rs I
I a ( Ra + Rs ) = Rs I
 R + Rs 
I=  a
 Ia = m Ia
 Rs 
Donde: I = corriente total circulante.
Is = corriente circulante por el shunt.
Ia = corriente circulante por el amperímetro
Rs = resistencia shunt.
Ra = resistencia interna del amperímetro.
m = factor de amplificación.
En estas condiciones, cuando a través del amperímetro circule la
corriente Ia, el valor de la corriente puede ser leido directamente, tomando en cuenta
que en la escala del aparato ya esta incluido el factor m:
m=
Ra + Rs
R
= 1+ a
Rs
Rs
 R 
Rs =  a 
 m −1
Teniendo por ejemplo, un amperímetro cuya escala termina con el valor
50.10-6 A y que tiene una Ra = 400 ohms, podemos calcular el shunt, para que la
lectura final de la escala corresponda 5 . 10-3 A (o sea simplificando 100 veces). De la
formula (10) obtenemos:
Rs =
400 × 5010
. −6
= 4,05 ohms
(510
. −3 ) − ( 5010
. −6 )
Otro ejemplo: si normalmente tenemos que la Ia = 0,1 A, es la máxima
corriente que puede medir un instrumento, y queremos ampliar la escala 10 veces (para
poder medir 10 Amp.):
m = 10
¿Cuánto deberá valer el shunt a conectar? Supondremos que Ra = 10 ohms:
Rs = Ra/ m - 1 = 10/ 10 - 1 = 10/9 = 1,11 ohms
¿Qué corriente circulara por el shunt?
Is.Rs = Ia.Ra implica que Is = Ia.Ra /Rs = 10.10/1,11 = 90,1 Amp.
O sea que por el shunt circularan 90,1 Amp. y por la bobina del
instrumento, solo 10 Amp.
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En un mismo amperímetro, las resistencias sucesivas pueden unirse por
medio de una llave giratoria que selecciona el rango a utilizar, como se muestra en la
figura siguiente:
I
Ia
FEM
Ra
Rs
CARGA O
CONSUMO
Is
LLAVE
SELECTOR
A
AMPERIMETRO
Cuando se deba medir una corriente, previamente habrá que "ajustar a
cero" la aguja del instrumento; esto se puede hacer mediante un tornillo o perilla de
ajuste que en general esta al frente del aparato, en la base de dicha aguja.
3) Voltímetro
Es el instrumento que en física eléctrica, permite medir diferencias de
potencial o voltaje entre dos puntos de un circuito conductor, o entre los extremos de un
elemento de consumo, o entre los bornes de una f.e.m. (pila, generador, batería). La
conexión debe ser realizada en paralelo con la carga o consumo, tal como se indica en la
figura siguiente:
I
Iv
Ic
Rv
FEM
CARGA O
CONSUMO
V
VOLTIMETRO
Para no desviar apreciablemente la corriente, el voltímetro debe poseer
una resistencia interna elevada (tal que Iv ≅ 0), colocada en serie con la bobina del
instrumento. Esto tendrá como resultado que el instrumento producirá menos error por
consumo propio.
El voltímetro podrá ser convertido en un instrumento de escalas múltiples, si se
adicionan en serie con el mismo, resistencias adicionales (llamadas multiplicadoras).
Las mismas podrán ser seleccionadas mediante una conexión giratoria, tal como se
indica en la figura siguiente:
4
Ia
Rs
BORNES
A MEDIR
Rv
V
LLAVE GIRATORIA
Is
VOLTIMETRO
También aquí, al igual que el amperímetro, se deberá respetar la
polaridad del instrumento antes de conectarse. Interesa además, que la aguja
inicialmente marque "cero"; si así no fuese, deberá corregirse con el tornillo de ajuste.
En voltímetros de escala múltiples (multímetros o tester), se acostumbra
a definir la resistencia interna por unidad de tensión final de escala. Por ejemplo, la
escala de 6 V de un voltímetro puede corresponder con una resistencia interna de 12000
ohms. Tendremos entonces para el mismo una R. interna por unidad de tensión final de
escala de:
12000/6 =2000 ohm/V
Ya que el consumo de corriente debe ser siempre el mismo para todas
las escalas, este aparato debe tener para la escala de 120 Voltios la resistencia interna de
2000 ohm/V x 120 V = 240000 ohms de resistencia interna. Conociendo los valores de
resistencia interna por unidad de tensión (también se llama "sensibilidad" ) del aparato,
podemos tener una idea de su calidad y compararlo con otros voltímetros
4) Ohmimetro
Este instrumento mide la resistencia de un elemento conductor.
Generalmente estos se encuentran incorporados a los llamados multímetros o "tester",
muy usados por los electricistas y técnicos electrónicos. Internamente poseen una fuente
de tensión constante que alimenta el circuito cuya resistencia se desea conocer. Los
"tester" tienen la posibilidad de poder medir variados rangos de ohmios, con sólo girar
una llave selectora.
Ejemplos de rangos son los siguientes:
R × 1 : La lectura dá directamente el valor real medido.
R × 10: La lectura deberá multiplicarse por 10 para el valor real.
R × 1000 : Idem anterior, pero por 1000 veces.
R × 10 K : Idem anterior, pero por 10000 veces.
Estos rangos varían con los modelos, las calidades y usos de los
multímetros.
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La polaridad del circuito aquí no interesa; es decir, la resistencia puede
ser conectada en cualquier extremo a cualquier polaridad del instrumento. Se tiene que
tener en cuenta que, luego de seleccionar el rango de medición, se debe "ajustar a cero"
el aparato y luego medir. El ajuste de cero se hace simplemente tocando los dos
extremos de las "puntas de prueba".
Un esquema del aparato es el siguiente:
ESCALAS
MULTIMETRO
SELECTOR DE FUNCION
Y DE RANGO
BORNES DE
CONEXION
AJUSTE
DE CERO
5) Puente de Wheastone
Es un instrumento que sirve para medir en forma precisa y rápida, el
valor de una resistencia cualquiera. Consta de tres resistencias conocidas exactamente,
una de las cuales esta construida de forma que pueda variarse punto por punto su valor
(regulable); y la cuarta resistencia es la resistencia incógnita que queremos medir. Las
cuatro R conforman el denominado "Puente de Wheatstone". Posee también una rama
central adonde vá conectado un galvanómetro.
Se dirá que el "P. de Wheatstone" se halla en equilibrio cuando por la
rama central, en la cual se encuentra conectado el galvanómetro, la corriente es nula.
El circuito es el siguiente:
I
FEM
Ra
Rb
Rg
G
R
Rs
Luego, en otro trabajo práctico se abundará en detalles sobre este
circuito que servirá para determinar el valor de una resistencia incógnita.
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