Instrumentos de Medición Eléctrica
Propósito y Objetivos de este Manual
Este manual tiene como propósito introducir los diversos instrumentos de medición del voltaje, corriente y resistencia, los principios físicos bajo los cuales funcionan, y los procedimientos para llevar a cabo las mediciones.
Los objetivos de este manual se orientan al cumplimiento de los siguientes puntos:
1 Instrumentos de Medición Eléctrica
1.1 Conceptos Generales
Bajo el concepto de medir se entiende la acción de registrar numéricamente magnitudes cuyo
¿QUÉ conocimiento es importante, por ejemplo, para estudios de carácter científico, en el servicio de ES LA HIDRÁULICA? instalaciones, en la producción y distribución de bienes o energía.
Medir significa comparar una magnitud correspondiente con una unidad apropiada.
Magnitud de Medida Aquella magnitud física, química o de cualquier otro tipo, que se pretende medir.
En los métodos de medida se aprovechan determinadas propiedades o efectos del objeto de la medición para relacionar, en un dispositivo de medida apropiado y montado a este fin, la magnitud correspondiente con una unidad definida, o bien con uno o varios valores prefijados.
Valor de Medida Es el de la magnitud de medida determinado con ayuda de un dispositivo adecuado. Se expresa como el producto del valor numérico por la unidad correspondiente.
El dispositivo de medida (denominado también instalación o equipo de medida) es el conjunto de todos aquellos componentes con los que se realiza un método de medida basado en un principio determinado. Si el dispositivo consta de un solo componente se denomina instrumento de medida.
Como instrumento de medida se designan también a aquellas partes de un dispositivo que son determinantes para las propiedades de medición (amplificador de medida, transformador de intensidad, patrones, etc.).
Los restantes componentes de un dispositivo de medida, que no son decisivos para las propiedades de medición, tales como fuentes de energía, elementos de ajuste, amplificadores de valor cero, conductores de unión, etc., se denominan aparatos auxiliares (accesorios).
Las partes de un dispositivo de medida que se pueden distinguir según su función (detectores, elementos de transformación y elaboración, emisores), no siempre forman componentes propios de aparatos.
Entre las partes de un dispositivo de medida se transmiten las llamadas señales de medida, que constituyen una medida de la magnitud pero que no tienen que ser iguales a ésta desde el punto de vista físico. Por ejemplo, el par de giro mecánico, como medida de la corriente eléctrica que pasa a través de un sistema, la corriente registrada en la salida de un amplificador como medida de la tensión de entrada, etc.
Mediciones Analógicas
En éstas se puede representar y registrar de forma continua cualquier valor de la magnitud de medida, dentro del margen previsto. Por consiguiente, la señal de medida puede asumir cualquier valor que esté comprendido dentro del margen de señales que corresponda al de la medida.
Mediciones Digitales
La exactitud de los métodos de medición digital depende exclusivamente del grado de fineza de los escalones de cuantificación y se puede lograr mediciones de mayor exactitud con aparatos de mayor costo.
La ventaja principal de los métodos de medición digital radica en la posibilidad de almacenar las señales de medida cuantificadas y procesarlas sin que se produzcan errores adicionales.
El valor de una magnitud determinado por un instrumento de medida no está exento de errores.
La diferencia entre el valor medido y el real se denomina error.
En éstas se pueden representar únicamente y de forma discontinua, valores discretos de la magnitud de medida con una graduación más o menos fina. El valor de medida viene dado por la suma de pequeños valores parciales y se emite con ayuda de indicadores de cifras o impresores. Como la mayor parte de las magnitudes de medida pueden variar de forma continua, hay que cuantificarlas primeramente, es decir, dividirlas en escalones a los que se ha asignado una señal de medida discreta. Sólo algunos procesos de cómputos, tales como la medida de radiación (cuantos), proporcionan de por sí resultados cuantificados.
El error se expresa en las unidades de la magnitud correspondiente (error absoluto) o en porcentaje de un valor de referencia (error relativo) del margen de medida o del valor teórico.
Los límites de error en la técnica de medida son las desviaciones extremas, convenidas o garantizadas, hacia arriba o hacia abajo, de la indicación correcta o de un valor prescrito.
La precisión que se puede alcanzar en la medida depende sobre todo del instrumento utilizado, pero también de la constitución y del manejo del dispositivo completo de medida.
ATENCIÓN
No siempre es conveniente tender a alcanzar la mayor precisión posible, ya que por lo general los aparatos resultan tanto más costosos cuanto mayor sea su calidad y, en ocasiones, aumenta su sensibilidad a las perturbaciones. Además, es necesario poner mucha atención en su manejo y al leer los valores indicados, si es que se pretende aprovechar realmente sus propiedades.
RECUERDE
Para la precisión en la medida son de gran importancia las llamadas magnitudes de Cuando se facilitan datos cuantitativos influencia, es decir, magnitudes físicas se debe evitar la expresión “precisión variables que influyen sobre la relación entre en la medida”. En estos casos las magnitudes de entrada y de salida dentro conviene usar exclusivamente del sistema de medida. los conceptos de incertidumbre de medida, tolerancia o límites de error.
Las magnitudes de influencia más importantes son:
• Temperatura;
• Humedad;
• Presión del aire;
• Posición;
• Vibraciones;
• Campos perturbadores;
• Tensión de la red;
• Frecuencia de la red;
• Tensiones parásitas.
La influencia viene dada por modificaciones en la magnitud de salida como consecuencia de una desviación de la magnitud considerada respecto de su valor nominal, cuando todas las demás magnitudes variables mantienen su valor nominal.
Con frecuencia se indican valores nominales o márgenes nominales para diferentes magnitudes de influencia, esto significa que si se observan estas condiciones nominales, rigen los límites de error garantizados por el fabricante del aparato.
Reglas para aparatos eléctricos de medida
Mediciones Digitales
Según estas reglas “VDE 0410” (cuya Para estas reglas “VDE 0414”, se han validez no se extiende a los aparatos fijado análogamente los signos de clase K1 electrónicos), se pueden proveer de un 0,1; K1 0,2; K1 0,5; K1 1 y K1 3 para signo de clase a los sistemas eléctricos de transformadores de medida; en los medida indicadores, registradores y transformadores de intensidad con gran emisores de contactos, o a una parte de escala se añade la designación adicional G. ellos, siempre que los errores relativos y las influencias bajo las condiciones de prueba prefijadas, se mantengan dentro de límites determinados.
• Instrumentos de cuadro: 1; 1,5; 2,5 y 5.
• Instrumentos de medida de precisión: 0,1; 0 ,2 y 0, 5.
• Resistencias recambiables en serie y en paralelo: 0,05; 0,1; 0,2 y 0,5 (deben ser una clase mejor que el instrumento correspondiente).
Estos números expresan los límites que no debe sobrepasar el error relativo de indicación dentro del margen de medida.
Margen de Medida (De un aparato indicador o registrador). Viene dado por el margen de valores de la magnitud de medida, dentro del cual el aparato se atiene a los límites de error definidos por la clase correspondiente.
Margen de Indicación Comprende toda la escala del instrumento, puede ser más amplio que el margen de medida. Por ejemplo, al principio de la escala cuando la característica no es lineal o al final de la misma tratándose de márgenes de sobrecarga.
Margen de Señalización Es el correspondiente a la magnitud eléctrica de entrada de un instrumento de medida. Puede diferir del margen de medida en los dispositivos provistos de resistencias en serie y en paralelo, transformadores o amplificadores de medida.
La escala de un instrumento puede diseñarse para el margen de medida, mientras que el sistema se dimensiona y se ajusta según el margen de señalización prescrito por el circuito exterior.
Sensibilidad Corresponde al aparato de medida, viene dada por la relación existente entre la variación de las indicaciones (no la del ángulo de desviación) y la modificación de la magnitud de medida ocasionada por aquellas. En la mayoría de los casos, a mayor sensibilidad corresponde un menor consumo propio.
Umbral de Medida o Valor Variación de la magnitud de medida que ocasiona, de Reacción de forma reproducible, un cambio mínimo apreciable en la indicación. Los datos respecto de estos valores suelen ser muy ambiguos en la mayoría de los casos.
Punto Cero Mecánico Es el que señala la aguja indicadora del instrumento de medida en estado de reposo. No tiene que ser necesariamente un punto de la escala.
No es necesario que el punto cero de la escala coincida con el punto cero mecánico.
El consumo propio de un instrumento de medida viene dado por la potencia absorbida bajo las condiciones de prueba, del portador de la señal dado por el sistema de medida y por las resistencias en serie y en paralelo incorporadas. La capacidad de sobrecarga instantánea se comprueba mediante un breve impulso de corriente (de duración aproximadamente igual al tiempo de ajuste), con el doble del valor final del margen de medida cuando se trata de instrumentos de precisión, con el doble de dicho valor final en el caso de los instrumentos de cuadro y en el circuito voltimétrico y en el circuito amperimétrico con diez veces el valor extremo del margen de medida. Después de esta carga, la desviación del punto cero debe ser como máximo del 0,5% de la longitud de la escala, y se han de mantener las condiciones de la clase correspondiente.
GLOSARIO
instrumento de medida equivale generalmente, dentro del margen de temperatura de operación y bajo las condiciones nominales, al valor final del margen de medida y a la temperatura nominal para dicho valor multiplicado por 1,2.
ATENCIÓN
Las partes de un instrumento de medida sometidas a tensión tienen que aislarse entre sí y con el exterior, con arreglo a la tensión de servicio (tensión nominal) del circuito de medida. Para las tensiones nominales más comunes se han fijado valores de prueba, con los que se comprueba el aislamiento.
Registrar: sinónimo también de examinar, reconocer, asentar, etc. Técnicamente se miden diferentes magnitudes y luego se anotan. A la acción de anotar las mediciones en forma secuencial cronológica se le llama registrar. La toma de estos valores en la unidad de tiempo originan los gráficos del componente medido. Estos gráficos se guardan para estudios posteriores como análisis, estadísticas, etc. que servirán después de estudios para sacar las conclusiones requeridas.
Graficar: bosquejar, dibujar, trazar. Técnicamente se dice que es el acto de representar en forma de figura los valores medidos. Se toman, por ejemplo, valores de voltaje de líneas a diferentes horas del día durante un mes y luego, colocados sobre papel, se puede observar el gráfico que muestra el comportamiento de la señal con todas sus variantes. Esto lleva a guardar o almacenar estos gráficos para, en forma comparativa, sacar conclusiones futuras.
Guardar: almacenar, preservar, conservar. Para estudios posteriores es necesario guardar los gráficos de una manera práctica y sencilla para su reconocimiento y comparación. También es conveniente tener la capacidad de obtener la mayor cantidad de valores en el menor espacio posible a manera de lograr su comparación con el menor esfuerzo.
Capacidad: cabida, suficiencia, contar con el espacio y la forma adecuada para recibir sin dificultad la información enviada; es decir, poder guardar los valores y de manera sencilla buscarlos para los trabajos posteriores correspondientes.
1.2 Sistemas de Unidades
Los sistemas de unidades están compuestos de números determinados de unidades básicas definidas independientemente, de las cuales se deducen las demás.
Sistema Internacional de Unidades (SI).
En el Sistema Internacional se han tomado como base las siguientes magnitudes y unidades:
En el Sistema Técnico se definen las siguientes magnitudes y unidades fundamentales:
Sistema Físico (CGS).
El sistema Físico (CGS) se basa en las tres unidades fundamentales centímetro, gramo, segundo.
Las unidades electrostáticas y electromagnéticas del sistema CGS se deducen por separado de las unidades fundamentales, con ayuda de las leyes de Coulomb.
El sistema electrostático se deriva de la ecuación:
El sistema electromagnético se deriva de la ecuación:
Donde:
F: Fuerza. Q: Carga eléctrica. m: Intensidad de los polos magnéticos. r: Distancia que separa las cargas o los dipolos magnéticos.
Unidades Eléctricas y Magnéticas.
1.3 Principios Aplicables a la Técnica de Medidas Fuerzas Electrostáticas entre Cargas Eléctricas.
Según la ley de Coulomb, sobre toda carga eléctrica que se encuentra en el campo de otra actúa una fuerza que depende de la
Las cargas de igual signo se repelen magnitud de las cargas y de la disposición y las de distinto signo se atraen. geométrica de sus portadores.
En la existencia de estas fuerzas se basa el funcionamiento del electroscopio, que sirve para registrar cargas eléctricas, y del electrómetro, con el que se miden, con una potencia prácticamente nula, cargas eléctricas o diferencias de potencial (tensiones).
De igual modo que a los electrones, también EJEMPLO se pueden influenciar radiaciones
corpusculares mediante campos eléctricos. El flujo de electrones de una válvula de amplificación se puede regular mediante la interacción existente entre los campos eléctricos y los portadores de carga, en este caso los electrones libres.
Descarga Eléctrica en Gases.
Al producirse una descarga eléctrica en un gas, se aceleran en un principio las moléculas ionizadas existentes por efecto del campo eléctrico.
Dependiendo de la intensidad del campo eléctrico, de la presión y del tipo de gas, dichas moléculas ionizadas (iones) pueden ionizar, a su vez, otras moléculas (ionización por choque), de forma tal que el número de portadores de carga aumenta rápidamente.
Al aumentar la presión del gas, se producen descargas de arco, en puntas y chispas, mientras que al reducirse (en algunos Torr) se originan efluvios que presentan fenómenos de luminiscencia por capas. Según la disposición de estas capas, se puede deducir, manteniendo constante la presión del gas, la polaridad y la magnitud aproximada de la tensión existente y de la intensidad de corriente. El cátodo está cubierto por una fina película luminosa. En el siguiente espacio oscuro se produce un efluvio negativo de contornos bien marcados y, a continuación, sigue otro espacio oscuro con una zona difusa de transición. La columna positiva, que ocupa el espacio restante hasta el ánodo, puede ser continua o estar constituida por capas, según la presión del gas, la tensión y la longitud del tramo de descarga. Los colores de la luz vienen determinados por la
clase de gas.
Al pasar una corriente eléctrica por líquidos conductores, se desplazan iones. Los fenómenos electrolíticos se pueden aprovechar para determinar la polaridad de corrientes continuas.
Algunos fenómenos electrolíticos son: En una solución acuosa de ácido, se produce hidrógeno en el polo negativo.
El papel de tornasol se vuelve rojo al humedecerlo en el polo positivo.
En una solución salina, los iones metálicos se desplazan hacia el electrodo, en el que se depositan.
Con ayuda de los denominados voltámetros, es posible determinar de forma exacta la intensidad de la corriente, a partir del tiempo que tarda en pasar del ánodo al cátodo y de la cantidad de metal depositado.
Efecto Joule.
El calor producido por la corriente eléctrica en un conductor depende de la resistencia de éste, de la intensidad de la corriente y de las condiciones de refrigeración. En los convertidores termoeléctricos para alta frecuencia la tensión de un par termoeléctrico caldeado por el conductor principal es directamente proporcional a la intensidad de la corriente que fluye por este último.
Relación entre la resistencia y la temperatura.
La dependencia térmica de la resistencia, especialmente notoria en determinados semiconductores, desempeña un papel importante en la técnica de las medidas.
En el caso de los amperímetros térmicos y bimetálicos se aprovecha, para medir la intensidad de la corriente, la dilatación experimentada por el material conductor. Los elementos bimetálicos están compuestos por dos tiras de metal fijamente unidas, con distintos coeficientes de dilatación térmica. Al calentarse, el elemento se curva hacia el lado del metal de menor coeficiente de dilatación térmica.
ATENCIÓN
La dependencia térmica de la resistencia de circuitos se puede compensar, cuando convenga, utilizando componentes de temperatura opuestos.
Existen termistores con coeficientes de temperatura negativo, es decir, cuya resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura, y termistores con coeficiente de temperatura positivo, cuya resistencia se incrementa con el aumento de la temperatura.
Termoelectricidad.
En el punto de contacto de dos metales diferentes se establece un paso de electrones que genera un campo eléctrico entre los dos metales, debido a que el trabajo de emisión de los electrones es distinto en cada metal.
Si se calienta el punto de unión (soldadura), aumenta la tensión de contacto con respecto a los extremos fríos de los conductores, de forma tal que esta tensión termoeléctrica sirve para medir la temperatura.
La tensión termoeléctrica entre los metales, referida a una diferencia de temperaturas de 100°C entre el punto de medida y el de comparación, viene dada por la diferencia de los valores indicados en la serie de tensiones termoeléctricas.
Algunos metales y semiconductores emiten electrones al absorber la luz. Los cuantos de luz incidentes han de poseer una energía mínima igual al trabajo de emisión de electrones; la frecuencia de la radiación no debe ser inferior a un valor determinado.
Efecto Fotoeléctrico Normal El número de electrones emitidos aumenta al
incrementarse la frecuencia de la radiación.
Efecto Fotoeléctrico Selectivo El número de electrones alcanza un valor máximo a una frecuencia determinada. Este efecto se produce para algunos metales y combinaciones, como por ejemplo compuestos de metales alcalinos y alcalino-férreos.
Los multiplicadores de fotoelectrones son
válvulas de vacío en las que se multiplican los ATENCIÓN electrones emitidos por el cátodo, éstos se
Empleando de ocho a doce dínodos
disparan bajo el efecto de un campo
( tensión total de 2 a 3 kV) se incrementa el
eléctrico sobre uno o varios electrodos flujo de electrones en el factor 106.
intermedios (dinodos), de forma que cada
aproximadamente.
electrón desprende de éstos varios electrones secundarios.
Los elementos fotoeléctricos están constituidos de forma similar a los rectificadores secos. En la zona límite de junta entre el metal portador (por ejemplo, hierro) y la capa aplicada por vaporización (por ejemplo, de selenio), se enriquecen los electrones al incidir la luz originando una tensión eléctrica de algunos centenares de milivoltios.
En las células fotoeléctricas, al vacío o rellenas de gases nobles y provistas generalmente de un cátodo de Cs o Cd, se precisa una tensión auxiliar para desplazar al ánodo los electrones emitidos por el cátodo.
Efecto Fotoeléctrico Externo.
Los cristales y semiconductores contaminados con átomos extraños se vuelven conductores al absorber luz o aumentar su conductibilidad, de forma que se pueden emplear como “conductores fotoeléctricos” (compuestos de Se, Se-Te o Tl, así como CdS, CdSe ó PbS; Ge y Si en el vacío). En las células de germanio y silicio, el efecto fotoeléctrico depende de la dirección, por lo que dichas células se denominan también fotodiodos perfeccionados en los que, al mismo tiempo, se puede amplificar la corriente fotoeléctrica.
Piezoelectricidad.
Al actuar una fuerza F (presión o tracción) sobre la superficie A de un prisma cuadrangular de cuarzo, en la dirección del eje eléctrico (línea de intersección de un plano perpendicular al eje eléctrico y otro perpendicular al óptico), se establece una carga eléctrica Q en dos electrodos de
Efecto Hall.
Al pasar una corriente eléctrica en sentido longitudinal a través de una placa de material conductor o semiconductor, dispuesta transversalmente a las líneas de fuerza de un campo magnético, se establece entre los lados de la placa una diferencia de potencial, que se denomina tensión Hall.
Este fenómeno se debe a que el campo magnético desvía los electrones en sentido perpendicular a su movimiento (sentido opuesto al de la corriente) y al campo magnético, de forma que en un lado de la placa aumenta la densidad de electrones, mientras que en el otro disminuye.
I = Corriente.
B = Inducción Magnética. d = Espesor de la Placa.
UH = Tensión Hall.
Dicha variación de la densidad de electrones dura hasta que la fuerza que ejerce el campo magnético establecido sobre los electrones, es igual a la que desarrolla el campo magnético en sentido contrario.
La tensión Hall UH es directamente proporcional al producto de la intensidad de la corriente I por la inducción magnética B, e inversamente proporcional al espesor de la placa d.
La constante de Hall RH depende del material. Por ejemplo, para el antimoniuro de indio (In Sb) a 20°C es igual a 240 cm3/As, y para el arseniuro de indio (In As) de 120 cm3/As.
EJEMPLO
Se pueden fabricar placas de campo de antimoniuro de indio con incrustaciones de antimoniuro de níquel, orientadas y de gran conductibilidad eléctrica que, al introducirlas en un campo magnético de 10 kG, aumentan su resistencia a un valor veinte veces mayor que el de la resistencia básica R0.
Relación de resistencias RB/R0 en dependencia de la inducción magnética B, para placas de campo de diferentes tipos.
En la figura se representan las curvas características de diferentes tipos de placas de campo a 22°C. La resistencia aumenta según una función cuadrática hasta alcanzar 4kG, y a partir de este valor, crece en forma prácticamente lineal hasta llegar a los 100 kG.
La condición para las variaciones indicadas de la resistencia es que el campo magnético actúe perpendicularmente al sentido del paso de la corriente. Al desviarse la inducción magnética de dicha dirección, disminuye la pendiente de las curvas características.
Efecto Gauss.
La resistencia eléctrica en sentido longitudinal de la placa representada en la figura depende de la intensidad del campo magnético. Por este motivo, se habla del efecto de resistencia magnética, que se aprovecha en resistencias que se pueden mandar magnéticamente.
De forma similar a como ha ocurrido con los generadores Hall, no ha sido posible desarrollar equipos de resistencias de mando magnético ( placas de campo) de utilidad técnica hasta que se ha dispuesto de los nuevos materiales semiconductores apropiados para ello.
Magnetostricción.
Las vibraciones en forma de sonido son causadas por la frecuencia de las fluctuaciones del campo, lo cual constituye la principal causa de que se encuentren vibraciones de 100 Hz ó 120 Hz en máquinas eléctricas como motores y transformadores.
Al introducir un cuerpo ferromagnético en un campo magnético homogéneo, se orientan los denominados recintos de Weib (zonas de imanes elementales que comprenden de 1011 a 1015 átomos en un volumen máximo de 10-8 cm3 aproximadamente).
La estructura reticular del material se deforma, produciéndose tensiones internas. Estas tensiones ocasionan modificaciones de la longitud y el volumen, por ejemplo, el hierro se dilata y el níquel se contrae. El punto de transición de valores negativos a positivos, es decir, el de magnetostricción nula, corresponde a una liberación total de tensiones y, por consiguiente, a los valores máximos de la permeabilidad.
Efecto Magnetoelástico.
Las tensiones mecánicas traen consigo variaciones ( direcciones preferentes) de la magnetización. Este defecto fue descubierto hace 100 años cuando observaron que la aguja de una brújula arriba de una probeta de metal cambia su posición cuando se le aplica una carga mecánica a esa probeta. Los científicos estudiaron la relación entre tensiones mecánicas y los cambios de la derivada magnética del metal y elaboraron los métodos para localizar las líneas de concentración de tensiones.
Fuerzas Electromagnéticas.
Según la ley fundamental de la electrodinámica, cuando las cargas eléctricas o los polos magnéticos realizan movimientos relativos entre sí, actúan fuerzas que dependen de la intensidad y sentido del campo magnético y de la cantidad de carga así como de la velocidad y de la dirección del movimiento.
Un conductor por el que fluye una corriente eléctrica, queda sometido, en un campo magnético, a una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente y al campo magnético. En este fenómeno se basan el funcionamiento de los instrumentos de medida electrodinámicos y los provistos de bobina móvil.
Asimismo, al mover un conductor dentro de un campo magnético, se induce en él una corriente que se puede aprovechar en la técnica de medidas, por ejemplo, con ayuda de emisores de velocidad de rotación.
Una corriente eléctrica genera a su alrededor un campo magnético. En una bobina arrollada en el mismo sentido se suman las intensidades del campo a las diferentes espiras. Al introducir piezas de hierro dulce en el campo de una bobina, las primeras sufren una magnetización proporcional a la intensidad de la corriente. Una pieza de hierro móvil es atraída hacia el interior de la bobina en el sentido de la intensidad del campo creciente mientras que varias piezas de hierro magnetizadas en el mismo sentido se repelen.
Al introducir un imán permanente móvil en un campo magnético externo se orientará siempre en el sentido de las líneas de fuerza. En la brújula de tangentes, que se utiliza para realizar mediciones del magnetismo terrestre, una aguja magnética señala la dirección del campo resultante de la superposición del campo magnético terrestre con el de una bobina.
ATENCIÓN
Conociendo la intensidad de la corriente que fluye a través de la bobina y el número de espiras, se puede calcular la intensidad del campo magnético de la tierra. Los voltímetros y amperímetros de imán móvil funcionan según el mismo principio, pero están provistos de un apantallamiento contra los campos magnéticos extraños y de un dispositivo mecánico de reposición para el sistema móvil.
1.4 Métodos de Medida
En todas las mediciones se ha de cumplir la condición fundamental de que las influencias perturbadoras que actúan sobre el objeto de medida sean los menores posibles.
RECUERDE
Los aparatos eléctricos de medida se aplican Según el cometido propuesto, hay que sobre el objeto como elementos adicionales, mantener reducida la influencia del aparato de influyendo más o menos sobre sus valores de medida adaptándolo correctamente al circuito resistencia, intensidad y tensión y, por de medida, empleando conexiones especiales o consiguiente, la magnitud de medida. bien calculando los errores debidos al circuito y corrigiendo los valores indicados por los circuitos de medida correspondientes.
Antes de elegir los aparatos de medida y establecer los circuitos, hay que calcular aproximadamente la exactitud requerida o posible.
No conviene exigir innecesariamente una precisión excesiva, ya que cuanto mayor sea la exactitud requerida más elevados serán los gastos que implican el equipo de los aparatos y su servicio.
Para la elección de un aparato de medida, es decisivo, además de su precisión, el margen de medida. Ya que las tolerancias indicadas y garantizadas se refieren generalmente al valor máximo del margen de medida, lo que implica tener, en el centro de la escala, una tolerancia doble con respecto al valor teórico. Por este motivo, la zona de mayor interés es la comprendida en el último tercio de la escala.
En muchas mediciones de servicio es suficiente el empleo de aparatos de medida con límites de error comprendidos entre el 1 y el 5%. Estos aparatos no son, por regla general, tan sensibles a tratamientos rudos y a las condiciones ambiente como los de precisión. Sin embargo, para algunas mediciones en campos de prueba y laboratorios, así como en algunos casos de servicio, se precisan procedimientos y aparatos más exactos, sobre todo cuando los valores de medida se deban elaborar a posteriori e influyan considerablemente en los resultados.
Junto a los aparatos de precisión conocidos se están empleando cada vez más los instrumentos de medida digitales, que trabajan con gran exactitud y se proveen de las conexiones adecuadas.
La exactitud de los dispositivos adicionales a los aparatos de medida (resistencias en serie y en paralelo, líneas de acometida con resistencias en paralelo, etc.) deben ser, por lo menos, un grado mayor que la de los instrumentos utilizados para que el resultado de la medida no quede influenciado inadmisiblemente.
En todos los instrumentos de medida conmutables se recomienda prever un margen mayor que el que se va a necesitar, para proteger el sistema de medida al realizar la conexión.
Al efectuar mediciones exactas con instrumentos de precisión, se han de observar los siguientes puntos:
1 El aparato debe estar colocado en posición aproximadamente horizontal y deforma que no quede expuesto a movimientos.
2 El aparato se debe colocar a una distancia suficiente de las masas de hierro (aproximadamente a 10 cm) y de los cables de energía. Si esto no es posible, y se cuenta con la influencia de campos externos de gran intensidad, será necesario comprobar si en el puesto de medida actúan campos perturbadores.
3 El indicador debe señalar el punto cero de la escala cuando por el aparato de medida no pase corriente. De no ser así, se corregirá la indicación ajustando el dispositivo en uso.
4 Durante la medición no se debe limpiar el cristal de la escala, puesto que éste se puede cargar electrostáticamente e influenciar la indicación. Se eliminan dichas cargas electrostáticas empañando el cristal.
ACTIVIDAD 4.
Marque la opción correcta. 1 ¿Cuándo se debe definir la exactitud requerida en una medida?
Antes de medir
Después de medir
2 Si usted opta por no exigir una precisión excesiva al lo hará por una cuestión de … aparato de medición,
Capacidad de efectuar una medición correcta.
Costos excesivos asociados
3 Cierta medición requiere de un equipo prmayor precisión? incipal y otro auxiliar. ¿Cuál requiere
Auxiliar
Principal
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A continuación se desarrollará el capítulo Medición de la Tensión y la Intensidad de Corriente.
2 Instrumentos de Medición Eléctrica
2.1 Amperímetros y Voltímetros
Los amperímetros se conectan a la línea cuya intensidad de corriente se desea medir, y los voltímetros se aplican a los puntos cuya diferencia de potencial se pretende determinar.
Símbolo General del
Símbolo General del Amperímetro
Voltímetro
Un amperímetro sólo debe producir una pequeña caída de ANEXO tensión, es decir, que su resistencia interna debe ser pequeña.
Por el contrario, un voltímetro debe absorber sólo una Las referencias de los
corriente de baja intensidad, es decir, que su resistencia interna símbolos utilizados ha de ser la mayor posible. se encuentran en el anexo.
Para medir simultáneamente la tensión y la intensidad de la corriente se pueden emplear los circuitos A y B representados en las siguientes figuras, los cuales también se pueden utilizar para conectar los circuitos amperimétricos y voltimétricos de los vatímetros.
En aquellas mediciones de tensión en las que haya que considerar los errores de medida debidos al circuito, es preferible el empleo del circuito A, puesto que la resistencia interna del voltímetro es generalmente conocida y está sometida a muchas menos variaciones que la del amperímetro.
Los amperímetros y voltímetros de corriente alterna para conexión directa se usan, según sea el tamaño de la caja, solamente para corrientes de intensidad y tensión limitadas.
• Al aplicarlos a corrientes de intensidad excesiva, se calentarían demasiado, la conexión resultaría muy difícil y la posición de las líneas de la acometida influiría sobre la indicación. • Al aplicarlos a tensiones demasiado altas, se producirían corrientes de fuga inadmisibles.
Por este motivo, se emplean en estos casos instrumentos previstos para su conexión a través de
Conexión de un amperímetro y un voltímetro de corriente alterna a través de transformadores
Amperímetros y Voltímetros de Bobina Móvil.
Instrumento magnetoeléctrico para Instrumento magnetoeléctrico para medición en corriente continua medición en corriente continua utilizado utilizado como amperímetro como voltímetro
En la siguiente figura se muestran las conexiones y los circuitos internos. En ambos circuitos se conecta una resistencia Rv (hecha de Manganina que no depende de la temperatura) delante de la bobina móvil (cuya resistencia Rs depende de la temperatura, por ser de alambre de cobre). La resistencia Rv preconectada es mucho mayor que la de Rs.
RV = Resistencia en serie
RS = Resistencia de la bobina móvil Rn = Resistencia en paralelo
De este modo se consigue mantener dentro de los límites admisibles el error debido a las variaciones de la temperatura.
• En los amperímetros con una resistencia RS~1.8 Ω, se dispone otra resistencia RV de forma que RS + RV sea, por ejemplo, igual a 6 Ω.
• En los voltímetros, la resistencia preconectada RV está dimensionada generalmente de tal manera que la resistencia total interna sea igual a un valor de 1/I característico de un instrumento de 1000 Ω/V aproximadamente.
• En los aparatos destinados a fines especiales, por ejemplo para mediciones en circuitos de válvulas o tensiones de pH, dicha resistencia puede ser considerablemente mayor.
Para aprovechar la gran estabilidad de los sistemas de medida con bobina móvil en ATENCIÓN
las mediciones de tensión e intensidad de
Los instrumentos provistos de rectificadores
corrientes alternas y, por lo tanto, para reaccionan a la media aritmética de los
abarcar márgenes de medida inferiores a valores de la magnitud de medida. Sin
los obtenidos con sistemas de hierro móvil, embargo, la indicación depende
se utilizan rectificadores. fundamentalmente de las armónicas ya que la escala está graduada para los valores
Los rectificadores están montados en el efectivos de la tensión y la corriente
aparato ya que sus curvas características se sinusoidales.
deben considerar al graduar la escala.
En la siguiente figura, se representan los circui tos internos de voltímetros y amperímetros de bobina móvil provistos de rectificadores de medida apropiados para su montaje en tableros de maniobra.
Conexiones de amperímetros y voltímetros con sistema de medida de bobina móvil y rectificadores
RV = Resistencia en serie
Rn = Resistencia en paralelo
En el caso del amperímetro se precisa una resistencia en serie RV para mantener reducido el error, debido a los cambios de temperatura, y contrarrestar la falta de linealidad de la escala, que deriva de las características cuadráticas de los rectificadores. Para corregir esto se admite una mayor pérdida de tensión.
Los instrumentos de mesa provistos de bobina móvil y rectificadores de medida son, por regla general, múltiples. En la siguiente figura se muestra el circuito básico de un aparato de este tipo.
Instrumento múltiple con sistema de medida de bobina móvil y rectificadores (circuito básico).
En este tipo de instrumentos también se pueden ampliar los márgenes de medida de la corriente mediante transformadores de intensidad externos o resistencias en paralelo, y los márgenes de medida de la tensión mediante transformadores de tensión externos o resistencias en serie.
Para medir corriente continua de alta intensidad se utiliza un método, especialmente ventajoso, en el que se aplica el efecto Hall.
En la siguiente figura se representa la disposición de un generador Hall en la ranura de un núcleo de hierro que circunda al conductor.
Con un instrumento de bobina móvil debidamente calibrado se mide la tensión Hall, que es proporcional a la intensidad del campo magnético existente en la ranura y, por consiguiente, a la corriente que fluye por el conductor principal. El circuito de medida está separado galvánicamente del “principal”.
Medida de la Corriente Continua con un Generador Hall Amperímetros y Voltímetros de Hierro Móvil.
Instrumento de hierro móvil para medición Instrumento de hierro móvil para medición en corriente continua y alterna utilizado en corriente continua y alterna utilizado como amperímetro como voltímetro
Los amperímetros y voltímetros de hierro móvil indican valores efectivos, independientemente de la clase de corriente y de la forma de las curvas.
ATENCIÓN
El consumo propio de los instrumentos de hierro móvil es generalmente mayor que el de los instrumentos de bobina móvil de iguales dimensiones, y la graduación de su escala es menos lineal. No obstante, a veces los primeros se prefieren para incorporar en tableros de maniobra y en aparatos porque son más robustos y baratos.
También hay una serie de aparatos de precisión provistos de dispositivos de medida de hierro móvil, entre ellos algunos de gran sensibilidad, que se han desarrollado especialmente para medir la tensión y la intensidad de corriente alterna, siendo para ello de gran importancia su reducida
dependencia de las formas de las curvas.
El margen de medida de los amperímetros de hierro móvil viene determinado por la bobina de campo, y no se puede ampliar mediante resistencias externas en paralelo debido al alto consumo propio. Por consiguiente, sólo se pueden modificar los márgenes de medida conmutando partes de dicha bobina (sin que varíe el número de amperios-vueltas). Conectando resistencias en serie es posible ampliar el margen de medida de la tensión, al igual que en los instrumentos de bobina móvil.
El margen de frecuencias de los amperímetros y voltímetros de hierro móvil apropiados para incorporar en tableros de maniobra está comprendido entre 15 y 60Hz. También existen ejecuciones especiales, ajustadas a una determinada frecuencia de 1000 Hz. En los instrumentos de mesa y de precisión se alcanzan igualmente empleando los medios constructivos adecuados, márgenes comprendidos entre 10 y 1000 Hz.
2.2 Galvanómetros
En aquellos casos en que los instrumentos calibrados de bobina móvil no son suficientes para medir intensidades y tensiones muy bajas en corriente continua, y cuando no se pueden utilizar amplificadores de medida, se emplean galvanómetros, cuya escala no está calibrada según los valores de tensión o intensidad de corriente.
ATENCIÓN
Con frecuencia se utilizan galvanómetros como Los galvanómetros no están sometidos a instrumentos de cero al centro en circuitos de un determinado margen de medida ni a un compensación y de puente, con ellos se pueden tiempo de ajuste, sino que se pueden registrar corrientes de hasta 10-12 A. adaptar al cometido en cada caso.
En los galvanómetros se utilizan generalmente sistemas de bobina móvil con una fuerza de reposición pequeña. Las bobinas no están arrolladas sobre bastidores metálicos, de forma que en la bobina solo puede fluir a través del circuito exterior, una corriente de inducción que amortigua las oscilaciones. Esta atenuación depende, por consiguiente, de la resistencia total del circuito de medida. Con una determinada resistencia externa- denominada resistencia límite- la aguja indicadora del galvanómetro alcanza en un tiempo muy breve la desviación máxima sin sobreoscilación ( ajuste aperiódico). Este tiempo es aproximadamente igual al 60 % del período de oscilación propio T0 del sistema no atenuado y puede ascender en galvanómetros de alta sensibilidad a 20s o más.
Al aumentar la resistencia total y, por lo tanto la atenuación, la aguja del galvanómetro avanza muy lentamente hasta alcanzar la desviación teórica. Con resistencias mayores se producen sobreoscilaciones y penduleos.
Para medir impulsos de corriente y tensión se emplean galvanómetros balísticos, provistos de sistemas móviles de gran inercia. Si la duración del impulso de la corriente es muy breve en comparación con el período de oscilación propio del sistema, la desviación de la aguja es proporcional a la energía cinética y, por consiguiente, a la energía I.t del impulso de la corriente. El valor de la medida se lee en el punto de retroceso de la aguja.
MANTENIMIENTO
Al trabajar con circuitos de medida provistos de galvanómetros de alta sensibilidad, hay que tener cuidado de que no se produzcan tensiones termoeléctricas en los puntos de unión de los conductores de diferente material. A distintas temperaturas dichas tensiones pueden falsear la medida.
Además de los sistemas de bobina móvil, se usan dispositivos de imán móvil (galvanómetros de aguja) que tienen que estar muy bien aislados contra los campos externos (galvanómetros acorazados).
Entre los galvanómetros de aguja se distinguen los de indicador luminoso o los de espejo, que son aptos para diferentes aplicaciones y tienen distinta sensibilidad (creciente en el orden indicado).
Principio físico de funcionamiento del galvanómetro.
El principio físico en que se basa el funcionamiento del galvanómetro es aquel que postula que cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor que se encuentra en un campo magnético, se produce una fuerza en el conductor.
La fuerza en el conductor es directamente proporcional a la magnitud de la corriente eléctrica y del campo magnético. Así, si el campo magnético es fijo, la fuerza será proporcional a la magnitud de la corriente directa. Esto es lo que ocurre en un galvanómetro.
Partes principales del Galvanómetro.
El galvanómetro tiene un imán o magneto permanente que proporciona el flujo magnético. La corriente eléctrica se hace pasar a través de una bobina instalada en un núcleo metálico soportado en un eje, de esta forma la bobina y su núcleo tienen la capacidad de realizar una acción de giro.
El núcleo se mantiene en posición (plenamente a la izquierda) mediante un resorte. En el extremo del eje giratorio de la bobina y del núcleo se encuentra una aguja indicadora cuyo desplazamiento sobre una escala mostrará la magnitud de la variable bajo medición.
• Cuando fluye una corriente por la bobina, dado que se encuentra dentro de un campo magnético, se produce una fuerza que actúa sobre el resorte en espiral y modifica la posición de la aguja. Si la corriente es grande, la fuerza será grande y se tendrá un mayor desplazamiento de la aguja sobre la escala, lo que permitirá reconocer un valor grande de la variable a medir.
• Cuando no fluye corriente a través del galvanómetro, el resorte mantiene al núcleo, la bobina y la aguja en su extremo izquierdo (donde generalmente la escala marca el valor 0). Aquí, se considerará que una corriente de 1 mA producirá una fuerza que flexionará la aguja totalmente hacia la derecha, a esto se le conoce como plena escala FS (del inglés full scale).
ATENCIÓN Como consecuencia cuando no circula
corriente, cualquier variable eléctrica que se desee medir deberá tener un escalamiento y conversión a una corriente directa en un rango de 0 a 1 mA. Si se aplicara una corriente mayor al galvanómetro, podría dañar su mecanismo.
Resumiendo …
Al modificar la posición del selector de variable a medir (voltaje, corriente o resistencia) se deberá tener la precaución de realizar la medición en su escala correspondiente.
Un galvanómetro es un dispositivo que permite producir el desplazamiento de una aguja indicadora sobre una escala, donde la amplitud del desplazamiento es proporcional a la corriente que fluye a través de él. El desplazamiento pleno de la aguja se tendrá siempre a la misma corriente (1 mA), por lo que cualquier variable eléctrica a medir deberá ser convertida y escalada a una corriente directa en ese rango.
2.3 Pinzas Amperimétricas y Medidores de Panel
Pinzas Amperimétricas.
Medida de la intensidad de corriente en un sistema trifásico con Electropinza.
Se deben medir las tres fases por separado (intensidad IR, IS e IT). Si el sistema es equilibrado, entonces las tres fases medirán igual.
Medidores portátiles de Tensión y Corriente.
• Para medidas eléctricas básicas
• Permiten medir la tensión, continuidad y la corriente con un único instrumento compacto.
• Seleccione voltios, ohmios ó ampere y el instrumento hará todo lo demás.
• La tecnología de mandíbulas abiertas permite medir corrientes hasta 100 A.
Medidores de Panel de Tensión, Corriente y Frecuencia.
• Diferentes formatos:48x48, 22x 22, 96x 96, 96 x 48.
• Programable
• Medición de valor eficaz
• Clase 0,1; 0,2; 0,5
• Resolución: hasta 13 bits
• Capacidad de display 3 ½digit
• Salida relé disponible
• Salida analógica
• Comunicación con PC RS 232, RS 485, Mod
3 Instrumentos de Medición Eléctrica
3.1 Multímetro Analógico
Partes principales del Multímetro Analógico.
La parte principal o corazón de un multímetro analógico es el galvanómetro.
El galvanómetro convierte una señal de corriente eléctrica en un desplazamiento de una aguja indicadora sobre una escala. Es un dispositivo que opera con corriente de CD (corriente directa) o CC (corriente continua). Por lo tanto, si se necesita conocer el valor de una resistencia, una corriente de CA (corriente alterna) o de CD, o un voltaje de CA o de CD, el valor de la variable a medir se debe convertir a un valor equivalente de corriente de CD. Debido a esto, el multímetro requiere de distintos circuitos para convertir el voltaje, la corriente y la resistencia a una corriente de CD en el rango definido para el galvanómetro.
El multímetro analógico cuenta con un selector de función (switch rotatorio) que permite definir:
• Tipo de variable que se desea medir: voltaje, corriente o resistencia.
• Rango en el que se desea medir.
Independientemente del tipo de variable eléctrica a medir y de su rango, el selector de función y el circuito de conversión realizan el escalamiento y la conversión de la variable a medir a una señal equivalente de corriente directa, la cual produce un movimiento en la aguja del galvanómetro. Para cada caso se leerá la medición en una escala diferente.
Diagrama de bloques con las partes principales de un multímetro analógico.
Circuito de Escalamiento y Circuito de Rectificación.
Circuito de Escalamiento.
Otra de las partes principales de los medidores analógicos es el circuito de escalamiento, que permite realizar mediciones de distintos rangos, como por ejemplo de 1 volt, 50 volts, 100 volts, 500 volts, con el mismo instrumento.
El circuito de escalamiento consiste en selectores de resistencias que permiten medir voltajes y corrientes de diferentes rangos de magnitud, manteniendo en cualquier caso la corriente a través del galvanómetro dentro de un mismo rango.
La principal razón de la existencia de estos circuitos es que el desplazamiento en la escala de la aguja indicadora del galvanómetro se realiza en un solo rango de corriente, generalmente de 0 a 1mA a plena escala. Por lo tanto, el circuito de escalamiento permite reducir las magnitudes, en las mediciones de corriente o de voltaje, al rango de operación del galvanómetro, de 0 a 1mA.
Circuito de Rectificación.
Dado que el galvanómetro es un dispositivo que opera con corriente directa, el circuito rectificador es el encargado de convertir las señales a medir de corriente y voltaje de CA a un valor equivalente de CD.
El circuito rectificador está formado por diodos. Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten el flujo de corriente eléctrica en un solo sentido.
El circuito rectificador, en conjunto con el circuito de escalamiento y el galvanómetro, permitirán leer la magnitud de la señal mediante la posición de una aguja sobre una escala graduada.
3.2 Medición con el Multímetro Analógico
Medición de Corriente.
Con un multímetro analógico la corriente se debe medir en serie y, dependiendo de su valor, se conectan resistencias en paralelo con el galvanómetro de tal forma que la corriente a medir se divida, manteniendo un flujo de corriente de 0 a 1 mA a través del galvanómetro.
Analicemos las siguientes ejemplos de mediciones, para distintos valores de I (corriente).
Medición de Voltaje.
Cuando se mide voltaje con un multímetro analógico, se hace que ese voltaje produzca una Para las mediciones de voltaje y corriente, el galvanómetro del multímetro toma la corriente que flexiona su aguja de los mismos puntos de medición. Debido a que una resistencia no puede suministrar corriente para el galvanómetro, se requiere de un suministro de energía eléctrica.
En un multímetro analógico se cuenta generalmente con una batería interna, la cual es conectada a la resistencia a medir, a una resistencia interna (de calibración o de rango) y al galvanómetro. La batería proporciona voltaje a un circuito de componentes en serie, entre los cuales se encuentra el galvanómetro y la resistencia a medir. En este circuito, todos los elementos tienen valor conocido, sólo se desconoce el valor de la resistencia a medir.
Valor de la resistencia a medir
Bajo Alto
• Valor alto de corriente. • Valor bajo de corriente.
• La aguja se flexionará hacia la derecha • El galvanómetro mostrará alta resistencia indicando un valor bajo de resistencia. en la escala. La aguja se flexionará poco, por lo que se encontrará cerca a su extremo izquierdo.
RECUERDE
Es importante hacer notar que en la escala de resistencia, la indicación de un valor infinito (∞) o una muy alta resistencia, se encuentra en el extremo izquierdo (la aguja tendrá una posición cercana a plenamente hacia la izquierda), y la indicación de cero 0 resistencia está totalmente a la derecha (en este caso la corriente es máxima y la aguja se flexiona hacia la derecha).
ATENCIÓN
Con respecto a las escalas de voltaje y corriente, la escala de resistencia se encuentra invertida, mostrando valores mínimos a la derecha y máximos a la izquierda.
Escala del Multímetro Analógico
Antes de realizar la medición de la resistencia en un circuito, las puntas o terminales de medición del multímetro se juntan para calibrar el medidor a cero, ya que existen variaciones debidas al uso de la batería interna y al largo de las puntas de medición, entre otros factores.
Al tener las puntas en corto, la corriente del medidor está en su valor máximo y la aguja deberá calibrarse para indicar un valor de cero (0). La indicación de un valor infinito (∞) se leerá cuando las puntas del medidor estén separadas o abiertas ya que se tiene precisamente una resistencia infinita entre ambas puntas donde no existe un flujo de corriente.
Medición de una Resistencia Desconocida.
Para la medición de una resistencia desconocida (RX), se requiere de una resistencia interna en el multímetro ( de calibración y de rango), además de la batería.
En este caso se conocen los valores de:
• Corriente (I)
• Voltaje (V)
• Resistencia de rango (R).
Como RX y R están en serie, tenemos que:
V
Rx + R =
I
Donde el valor de Rx es:
V
Rx = - R
Medición de una resistencia desconocida
Medición de la Resistencia en un Circuito.
En ocasiones, es necesario medir la resistencia que tiene un circuito.
En esta figura se muestra la forma en que se deben hacer las conexiones para realizar la medición. En este circuito, la corriente de la batería V pasa a través de la resistencia del circuito, la resistencia de rango seleccionada y el galvanómetro, controlando la flexión de la aguja indicadora. El flujo de corriente
dependerá de la RC del circuito, de la resistencia de rango y de la resistencia del galvanómetro.
Antes de realizar la medición de una resistencia en un circuito, se debe calibrar el multímetro a cero para eliminar las probables variaciones que se hayan generado.
ATENCIÓN
El switch del circuito a medir siempre debe estar en su posición de apagado o abierto. Esto evita que el voltaje de la fuente del circuito pase a través del medidor, lo cual podría causar un daño en el galvanómetro o una desviación en la medición.
Las puntas del multímetro se deben conectar entre los terminales del circuito que se desea medir, para que la corriente producida por la batería del multímetro fluya a través de él.
El flujo de corriente a través del galvanómetro dependerá del valor de la resistencia del circuito a medir.
Como el multímetro ha sido ajustado a cero, la indicación del galvanómetro dependerá únicamente de la resistencia del circuito.
La resistencia del circuito permite el paso de cierto flujo de corriente a través del galvanómetro y por consiguiente la aguja indicadora se flexiona indicando el valor de la resistencia del circuito en la escala.
Si la resistencia del circuito fuera reemplazada por una resistencia de valor óhmico más elevado, la corriente a través del galvanómetro se disminuiría aún más y la indicación en la escala sería la de una resistencia más elevada.
Esto ratifica que:
La escala en W del multímetro es inversamente proporcional al flujo de corriente a través del galvanómetro.
Como el rango de valores de la resistencia puede variar de pocos W hasta M W (1,000,000 W), para que un multímetro analógico pueda indicar cualquier valor de resistencia con un mínimo error, cuenta con escalas de multiplicación o multiplicadores.
Estos tres multiplicadores son conectados a tres resistencias diferentes localizadas dentro del multímetro. Mediante el switch selector se selecciona el rango o escala de multiplicación deseada. El rango a utilizar en la medición de cualquier resistencia desconocida depende del valor óhmico ¿Como varía la medición con la elección del rango?
• Si RX tiene un valor de por ejemplo 3750 W y se utiliza el rango de R x 1, el multímetro no podrá medirla. Esto ocurre debido a que la distancia entre 1000 e infinito en la escala es muy pequeña y no cuenta con valores intermedios.
• Si se selecciona el siguiente rango, R x 10, la aguja se flexionaría indicando 375 W (3750/10). El cambio de rango genera la flexión de la aguja debido a que la resistencia de R x 10 tiene sólo 1/10 de la resistencia de R x 1.
• Si se utilizara el rango de R x 100 para medir la misma resistencia de 3750 W, la aguja se flexionaría aún más, a la posición de 37.5 W (3750/100). Esta flexión ocurriría debido a que la resistencia R x 100 tiene sólo 1/10 de la resistencia R x 10. Así, al seleccionar la resistencia en serie más pequeña se flexiona más la aguja indicadora.
• El arreglo del circuito de la figura de medición de una resistencia en un circuito hace que fluya la misma cantidad de corriente a través del galvanómetro del multímetro, ya sea que la resistencia sea de 10.000 W en la escala de R x 1, o 100.000 W en la escala de R x 10, o 1.000.000 W en la escala de R x 100 W.
Puesta a cero en un multímetro análogo
3.3 Multímetro Digital
Los multímetros digitales se clasifican de acuerdo al tipo de convertidor analógico/digital (A/D) que incluyen en su diseño. La función del convertidor A/D es transformar o convertir un voltaje de entrada analógico en una representación numérica.
1 Display (pantalla).
El display del multímetro se divide en dos partes:
1.1 Parte digital.
1.2 Parte analógica.
1.1 Parte Digital
La parte digital muestra las lecturas como sigue:
• En valores desde 00000 hasta 99999.
• En caso de un valor negativo se muestra el signo menos (-).
• El punto decimal se coloca automáticamente.
1.2 Parte Analógica
La parte analógica muestra las lecturas en un apuntador de 32 segmentos. Otros modelos tienen 31 segmentos. Este apuntador analógico actualiza su lectura 25 veces por segundo, mientras que el digital solo 2 veces por segundo. Hay que mencionar que no todos los multímetros digitales cuentan con esta parte así que sólo se menciona como un complemento.
2 Botones de Función
Los botones de función se utilizan junto con el selector rotatorio, para escoger modos de operación. 3 Selector Rotatorio
El selector rotatorio es una perilla que se puede girar para escoger alguna de las funciones que realiza el multímetro.
Funciones a seleccionar.
• Voltaje de CA: selección automática de rangos para 400 mV, 4V, 40V, 400V o 1000V de CA.
• Voltaje de CD: selección automática de rangos para 4V, 40 V, 400V o 1000V de CD.
• Milivolts de CD: Rango de 400 mV de CD.
• Resistencia (Ω), conductancia (1/Ω), capacitancia o prueba de continuidad ().
• Prueba de semiconductores: mide el voltaje necesario para producir una corriente de 1 mA a través de la o las uniones de materiales semiconductores (PN), esto dentro de un rango de 3 volts. Si con 3 volts no se alcanza una corriente de 1 mA, el display mostrará una indicación OL. • Miliamperes o amperes de CD o CA: al encender el multímetro automáticamente selecciona CD. Para cambiar a CA se presiona el botón azul ó su similar. La selección automática de rangos es para 40 mA o 400 mA cuando se utiliza el punto de entrada mA, μA o para 4000 mA o 10 A cuando se utiliza el punto de entrada A.
• Microamperes de CD o CA: al encender el multímetro automáticamente se selecciona CD. Para cambiar a CA se presiona el botón azul o su equivalente. La selección automática es 400 μA o 4000 μA al utilizar el punto de entrada mA μA. • Temperatura.
Entradas para los Terminales de Medición
En la parte inferior del multímetro hay 4 entradas para las terminales de medición.
¿Para qué se usa cada una de ellas?
• A: Medición de corriente en amperes. Se usa para mediciones de corriente (CA o CD) hasta 10 amperes continuos, o bien, 20 amperes sólo por 30 segundos.
• mA, μA: Medición de corriente en miliamperes y microamperes. Se usa para mediciones de corriente hasta de 400 mA (CA o CD) ó menos.
• COM: Terminal común. Es el terminal común o de retorno que se usa para todas las mediciones.
• V Ω : Se usa para medición de voltaje, resistencia o prueba de semiconductores.
3.4 Utilización del Multímetro Digital
Antes de utilizar un multímetro digital se debe estar informado acerca de las medidas de seguridad tanto para el usuario como para el aparato.
Se utilizarán las palabras:
Advertencia : al tratarse de algo que pudiera dañar al multímetro.
Precaución : al tratarse de algo que pueda significar peligro para el usuario.
Medidas de seguridad • Evitar realizar mediciones estando solo.
ATENCIÓN
Precaución: Para evitar una descarga eléctrica o un daño al multímetro, no se debe aplicar más de 600 volts entre cualquier terminal y tierra.
• No usar el multímetro si está dañado, para evitar mediciones erróneas.
• Revisar que el aislamiento de las terminales de medición no esté dañado. Revisar la continuidad de las terminales de medición y reemplazarlas si están dañadas.
• El multímetro debe estar en buenas condiciones de operación. En la prueba de continuidad, una lectura que va desde OL a 0, generalmente indica que el multímetro funciona correctamente.
• Seleccionar la función y rango apropiados para la medición. Para evitar una descarga (shock) eléctrica, se deberá tener especial precaución al trabajar con voltajes superiores a 60 VCD o 25 VCA RMS. • Desconectar primero la terminal conectada a voltaje (vivo) antes de desconectar la que está conectada a común (tierra).
• Seguir todos los procedimientos de seguridad del equipo bajo prueba. Desconectar el voltaje de alimentación y descargar todos los capacitores ( especialmente los de alto voltaje) antes de probar las funciones de continuidad Ω.
• Al realizar una medición de corriente (se abre el circuito y se conecta al multímetro en serie), desconectar la alimentación antes de conectar el multímetro al circuito.
• Revisar los fusibles del multímetro antes de medir corriente en transformadores de corriente. Un fusible fundido podría producir un alto voltaje peligroso.
Instrucciones de Uso para un Multímetro Digital.
A continuación se describirá cómo operar un multímetro digital. Estas instrucciones están basadas en la serie comercial 80 V, marca registrada de FLUKE.
La forma del multímetro que se tenga a mano a la hora de hacer mediciones eléctricas, puede variar, así como sus funciones especiales y limitaciones. Es por eso que se recomienda revisar el manual específico del multímetro en caso de necesitarse mayor información.
Medición de Voltaje de Corriente Alterna.
Para realizar una medición de corriente alterna, primero es necesario tener las puntas del multímetro desconectadas del punto de medición.
Posteriormente, siga los siguientes pasos:
Medición de Voltaje de Corriente Directa.
Para hacer la medición de un voltaje de corriente directa, las puntas del multímetro deben estar desconectadas del punto de medición y también debe seguirse el paso N° 1 mencionado en la medición de voltajes de corriente alterna.
Los siguientes pasos se muestran a continuación:
Ídem paso N°1 Medición CA.
Dependiendo la magnitud de voltaje que se espera leer, se debe girar la perilla a una de las dos posiciones mostradas en la figura
Tome las puntas negra y roja y conéctelas en paralelo al punto donde desea medir, como se ilustra en la figura. Recuerde que la punta roja se usa para el positivo y la punta negra para el negativo. En caso de conectarse al revés, la lectura de voltaje resultará invertida. Por ejemplo, supongamos que la batería que se lee en la figura es de 24 VCD. Si se invirtiera la conexión de las puntas, el voltaje medido sería de -24 VCD.
Lectura de voltaje de CD
Medición de Resistencia.
Para medir el valor resistivo de un circuito, es necesario desconectar las puntas de cualquier circuito donde pudieran estar puestas.
Luego se continúa con los siguientes pasos:
Ídem paso N°1 Medición CA.
sólo el valor resistivo de un elemento y no de todo el circuito, asegúrese de desconectar ese elemento antes de medirlo, como se muestra en la figura.
Medición de Capacitancia.
La mayoría de los multímetros digitales tienen integrada la medición de capacitancia junto con la de resistencias.
Para medir un valor capacitivo primero asegúrese de tener desconectadas las puntas de cualquier circuito.
Comprobación de Continuidad.
Como se mencionó en las instrucciones para medir resistencia en un circuito, al colocar la perilla en posición de lectura de resistencia, también se está preparando al multímetro para comprobar la continuidad de un circuito.
Para comprobar la continuidad de un circuito se siguen estos pasos:
Ídem paso N°1 Medición CA.
Ídem paso N° 2 Medición de Resistencia.
Oprima el botón de sonido, que se muestra en la figura. De esta forma, al haber continuidad en un circuito, el multímetro generará un sonido que le permitirá darse por enterado sin tener que voltear a ver la pantalla. Para desactivar el sonido, basta con apretar el botón nuevamente.
La comprobación de continuidad es especialmente útil para identificar fallas en circuitos.
4 Haga contacto con las puntas del multímetro en el circuito o elemento del que se desea verificar la continuidad.
Para comprobar que un diodo se encuentra en buen estado, asegúrese de desconectar las puntas del multímetro y luego siga el siguiente procedimiento:
3 Haga contacto con las puntas del multímetro en las terminales del diodo. Las lecturas que corresponden al estado del diodo se interpreta según las lecturas de la siguiente forma:
2 Gire la perilla a la posición mostrada en la figura.
Mantenimiento Preventivo y Verificaciones.
Las puntas de prueba y los cables suelen ser fuentes de problemas, ya que están sujetos a una manipulación constante. Además las puntas de prueba desmontables pueden aflojarse y hacer mal contacto, o las conexiones internas romperse y tornarse intermitentes.
Verificación de las Puntas de Prueba.
Estos inconvenientes pueden verificarse colocando la llave de funciones en W y cortocircuitando las puntas, flexionando los conductores y tirando de ellos. Mientras se observa que no se produzcan cambios irregulares en la lectura (caso contrario, indica conexiones flojas).
Las funciones de intensidad y tensión deben verificarse en forma similar mientras está conectada a
Verificación de la Batería (Analógico).
Para realizar una correcta medición de resistencia debe verificarse la condición de la batería.
Pasos para la verificación:
1. Colocar el selector de funciones en Ω.
2. Colocar el control de rango en R x 1 y cortocircuitar las puntas. Girar el potenciómetro de ajuste en Ω para llevar la aguja a una desviación de plena escala (posición) o puesta a cero.
3. Si es posible, ajustar la aguja a plena carga, sino la batería debe reemplazarse.
4. Si alcanza la plena escala se debe mantener cortocircuitadas las puntas durante 10 segundos. En caso que se observe una desviación apreciable de la aguja, alejándose de plena escala, indica que la batería está débil.
Verificación de la batería (Digital).
1. Se observará en el display la leyenda Low Batt.
Consideraciones Generales.
• El multímetro es un elemento muy delicado, por ese motivo no debe ser golpeado ni colocado en ambiente húmedo, ni expuesto al sol o altas temperaturas.
• El selector de funciones debe ser girado con lentitud para mantenerlo en buen estado y cuando no se utiliza, colocarlo en posición OFF.
• Se debe verificar la posición de la aguja en cero cuando el instrumento esté desconectado, caso contrario, se lo deberá corregir con el tornillo de ajuste.
• Cuando se desconozca el valor de la magnitud eléctrica a medir (corriente-tensión de CA o de CD) antes de aplicar las puntas, se colocará la llave selectora en el alcance correspondiente a la magnitud más alta para asegurarse de no dañar el instrumento, efectuando la primer lectura, se reducirá el alcance al rango más adecuado.
• Cuando no se conozca la polaridad del circuito se unirá una de las puntas a uno de los puntos a medir y se hará un rápido toque con la otra punta, siempre en un alcance alto, para verificar en qué dirección desvía la aguja.
Desarrollo de las Medidas de Seguridad.
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) desarrolla normas internacionales de carácter general para la seguridad en la medida, control y uso de equipos eléctricos.
La norma IEC 61010 – 1 se utiliza como base para las siguientes normas nacionales:
•ANSI/ISA- S82.01-94 de EE.UU.
•CAN C22.2 N° 1010.1-92 de Canadá.
•EN61010 – 1:2001 de Europa.
3.5 Medición con el Multímetro Digital
A continuación se describen las formas de realizar las mediciones con el multímetro digital. Al mismo tiempo que se detallan las medidas de precaución necesarias para cuando se realizan estas mediciones.
Si al realizar alguna medición aparece en la pantalla las letras OL significa que se ha sobrepasado el máximo valor de un rango (Over Limit).
Medición de Voltaje.
Medición de Alto Voltaje.
La mayoría de los multímetros digitales pueden medir hasta 600 volts en su rango más alto. Sin embargo, a veces se requiere medir un voltaje mayor, y para esto se debe utilizar una punta de medición de alto voltaje.
Una punta de alto voltaje es un divisor de resistencia como el que se muestra en el ejemplo.
Debido a la presencia de alto voltaje, las resistencias en serie deben estar selladas e instaladas en la parte aislada de la punta de medición de alto voltaje. Considerando la razón del divisor de 1000 a 1, aún las pequeñas variaciones en la resistencia de salida del divisor afectan la precisión de la medición.
Una medición de alto voltaje de CD típica tendrá una precisión del 1% respetando sus especificaciones de temperatura y humedad. Si la humedad relativa pasa del 90%, o si la temperatura baja de -16 °C (3.2 °F) o sube más de 40°C (104 °F), la medición no será muy precisa.
En mediciones de alto voltaje de CD el terminal de tierra es usualmente un cable negro separado que sale del mango de la punta de alta tensión.
La medición de alto voltaje con un multímetro digital es como cualquier medición de alto voltaje sólo que además de la precisión de la punta de medición de alto voltaje a utilizar, se debe tener presente el peligro que implica un alto voltaje.
Categorías de instalación por sobretensión.
Nota: La norma IEC 61010 – 1 aplica a los equipos de medida de baja tensión (< 1000 V ).
Siga el siguiente procedimiento para leer el valor resistivo de un circuito o un dispositivo:
Prueba de Continuidad.
Mediante la prueba de continuidad se verifica si las conexiones del circuito y sus líneas (conductores) están en buen estado.
La prueba de continuidad es tan rápida que se utiliza para detectar aperturas de circuitos, o bien cortocircuitos de tan corta duración como 1 milisegundo.
Esta prueba se realiza mediante el siguiente procedimiento:
Se conecta la terminal negra a la entrada COM y la terminal roja a la entrada VΩ.
El selector rotatorio se coloca en la posición “Ω”.
Se presiona el botón. Esto habilita una alarma audible, sin embargo, no todos los multímetros cuentan con este botón.
Se coloca cada terminal del multímetro en una de las partes del circuito entre las cuales se quiere verificar la continuidad.
Si se produce un sonido es que hay continuidad (conexión eléctrica) entre las dos partes. De lo contrario, no existe continuidad.
Medición de Corriente.
cual se le va a hacer la medición.
Se toma la lectura de corriente eléctrica.
ATENCIÓN
No se debe intentar realizar una medición de corriente en un circuito cuyo potencial sea mayor a los 600 volts. Esto dañaría al multímetro (o su fusible) y principalmente el usuario correrá un gran peligro de descarga eléctrica.
Medición de Señales de CA.
Es importante tener en claro el significado de una medición. Así, se puede tener para una misma señal, un valor máximo o de pico, un valor promedio o de corriente directa y un valor RMS o eficaz. Entender estos términos permitirá encontrar sentido a las diferencias de estas mediciones.
A continuación se describirán los conceptos de:
a. Voltaje máximo o de pico.
b. Voltaje promedio o de corriente directa.
c. Voltaje eficaz o RMS.
a. Voltaje máximo o de pico.
El voltaje de corriente alterna utilizado tanto en instalaciones domésticas como industriales tiene la forma de una señal senoidal y su frecuencia es de 50 Hz o 50 cps.
En este voltaje de corriente alterna, la frecuencia de 50 Hz indica que se presenta esta señal 50 veces en 1 segundo. El período de la señal es el tiempo que pasa entre 2 máximos o 2 mínimos, para el caso de 50 hz, es de 0.02 segundos o 20 milisegundos, lo cual también puede representarse como 2p ó 360 °.
En el caso de 60 Hz el período es de 0.016 segundos o 16.67 ms
Ciclo del voltaje de corriente alterna y relación de voltaje de corriente alterna a voltaje de pico.
Como se muestra en la figura anterior, el valor instantáneo del voltaje cambia constantemente adquiriendo valores positivos y negativos, pasando por cero 120 veces en 1 segundo.
El valor instantáneo máximo es conocido como voltaje máximo o voltaje de pico.
La ecuación que lo define es:
b. Voltaje promedio o de corriente
En este caso, el valor instantáneo del voltaje es siempre el mismo. Así, su valor promedio o de corriente directa es igual a ese voltaje instantáneo. En los casos en que esto no ocurre, hay necesidad de calcular el valor promedio del voltaje.
En la figura anterior se presenta una señal de voltaje que mantiene una amplitud de 60 volts constantes durante 2 milisegundos y posteriormente presenta una amplitud de 35 volts durante 3 milisegundos, repitiéndose este patrón periódicamente a una frecuencia de:
Para calcular el voltaje promedio en este ejemplo, primeramente se calcula el área de los rectángulos que aparecen en un período.
El segundo paso es dividir el área total entre el tiempo transcurrido en el período, así:
Este es el voltaje promedio o de corriente directa de esta señal y es el que mostraría en medición un multímetro digital en la función de voltaje de corriente directa.
Voltaje eficaz o RMS.
El voltaje eficaz o RMS es uno de los conceptos más frecuentemente utilizados en sistemas eléctricos y electrónicos. Es importante conocer claramente su significado.
Al operar con:
• Corriente directa, los valores de la corriente y del voltaje permanecen constantes y están relacionados en cualquier circuito mediante la ley de Ohm.
• Corriente alterna, los valores instantáneos tanto del voltaje como de la corriente están constantemente cambiando y aún cuando se pueden describir mediante sus valores máximos o de pico, es necesario encontrar una equivalencia con respecto a sus similares de corriente directa.
El método que se sigue para determinar esta equivalencia utiliza el efecto de calentamiento que se presenta tanto con voltajes como con corrientes directa o alterna en cargas resistivas. Esto se debe a que el calentamiento es independiente a la dirección del flujo de corriente.
El calentamiento producido en una resistencia está relacionado con la potencia consumida en ella, la cual está definida por:
Donde:
P = potencia en Watts.
I = corriente en Ampers.
R = resistencia en Ohms.
El objetivo es encontrar un valor de corriente alterna cuya magnitud en corriente directa produzca el mismo efecto de calentamiento. A este valor se le conoce como valor eficaz o RMS.
Para el caso de otra forma de onda en corriente 1. Eleve al cuadrado los valores instantáneos de la señal, alterna (cuadrada o esto durante un período.
rectangular) se puede 2. Calcule el promedio de los valores obtenidos, este seguir el siguiente resultado es equivalente al cuadrado de la señal de procedimiento: corriente directa.
3. Finalmente. extraiga la raíz cuadrada del valor promedio obtenido, en esta forma se obtiene el valor eficaz o RMS.
GLOSARIO
El término RMS proviene de las palabras Root-Mean-Square, que describe el procedimiento ya presentado, esto es, la raíz cuadrada del promedio de los valores al cuadrado.
Para medir el valor RMS o eficaz se utiliza un multímetro digital seleccionando la función de voltaje o corriente de corriente alterna. Todos los multímetros digitales tienen la capacidad de mostrar el valor RMS de señales senoidales, pero no todos pueden mostrar el valor RMS de señales de otro tipo.
Para medir una señal que no tenga forma senoidal se pueden utilizar multímetros digitales que tengan la especificación TRUE RMS de lo contrario se obtendría una medición errónea. Por lo tanto es importante conocer el tipo de señal a medir.
En la siguiente figura se muestra el valor RMS de una onda senoidal, una cuadrada y una triangular respectivamente.
ATENCIÓN
Si para los casos anteriores se multiplicara el valor máximo por 0,707, el resultado sería correcto sólo en el de la señal senoidal. Se deberá tener especial precaución al medir valores RMS en inversores y convertidores, pues en algunas ocasiones las variables bajo medición no tienen forma senoidal. En este caso se deberá utilizar un multímetro capaz de medir valores TRUE RMS.
Medición de Capacitancia.
Para obtener el valor de capacitancia en capacitores se realiza el siguiente procedimiento:
Se desconecta cualquier fuente de energía que alimente al capacitor.
Se descarga el capacitor. Para verificar que el capacitor esté descargado se mide el voltaje de corriente directa entre sus terminales.
Se coloca la terminal negra en la entrada COM y la terminal roja en la entrada VΩ.
Se ubica el selector rotatorio en la posición “Ω”.
Se presiona el botón azul para seleccionar el modo de medición de capacitancia ( en algunos capacitores la selección de esta función puede variar).
Los valores de capacitancia que se pueden medir van desde 0.01 nF hasta 5.00 μF.
Si el capacitor es electrolítico se une la terminal roja a la terminal positiva del capacitor y la terminal negra a la terminal negativa del capacitor, como se muestra en la figura:
Si el capacitor no es electrolítico se unirán las terminales de medición a las terminales del capacitor en cualquier orden.
Se toma la lectura.
Para la medición de la frecuencia de señales se realiza el siguiente procedimiento:
Se coloca la terminal negra en la entrada COM y la terminal roja en la entrada V Ω.
Se coloca el selector rotatorio en la posición de AC.
Se presiona el botón “Hz”.
Se toma la lectura de la frecuencia de la señal.
Se conectan las terminales medidoras del multímetro a las partes del circuito en donde se encuentra la señal.
4 Instrumentos de Medición Eléctrica
4.1 Medición de Potencia Activa
La potencia de una corriente continua (siempre potencia activa) se puede determinar midiendo la tensión y la intensidad de la corriente, y haciendo uso de la ecuación:
Sin embargo, en la mayoría de los casos, se utilizan vatímetros con dispositivos de medida electrodinámicos, los cuales indican directamente la potencia activa si se conectando los circuitos amperimétricos y voltimétricos en la forma adecuada.
Al medir la potencia de corrientes continuas de mayor intensidad, aproximadamente mayores que 20 A, la bobina del campo se pone bajo tensión a través de una resistencia en serie, así, la bobina móvil forma con dicha resistencia el circuito amperimétrico conectada con una resistencia en paralelo.
Tratándose de corriente alterna monofásica, un medidor o registrador de la potencia conectado
MANTENIMIENTO
Hay que observar que, según la norma DIN43807, se deben conectar los circuitos voltimétricos de los instrumentos destinados a aparatos y tableros de maniobra, delante de los circuitos amperimétricos (con sentido de la potencia de izquierda a derecha), y que en caso de conexión a través de transformadores, los secundarios de éstos se pongan siempre todos juntos a tierra. De lo contrario, se pueden establecer tensiones inadmisiblemente altas entre los circuitos amperimétrico y voltimétrico.
La potencia activa de una corriente trifásica es igual a la suma de las potencias en las tres fases:
La forma más correcta y exacta para medir dicha potencia consiste en utilizar tres sistemas de medida, cuyos pares de giro se suman mecánicamente a través de un eje común o un acoplamiento de banda, para indicar o registrar los valores totales. Para reducir los costos, y debido a que en las cajas no siempre hay lugar suficiente para un conjunto de tres sistemas, se eligen soluciones más sencillas, si así lo permite la exactitud requerida.
carga arbitraria)
La potencia de la corriente trifásica es: P= UR IR + US IS + UT IT
En la red de tres hilos, la suma de las intensidades de corriente es nula: IR + IS + IT =0
Sustituyendo se obtiene:IS= -IR -IT P = UR . IRS + UT . ITS
En el circuito Arón se forma en cada sistema de medida el producto de una diferencia de tensiones (entre todas las tensiones estrella) por una intensidad de corriente. Mediante este circuito se consigue que la medida sea independiente de las asimetrías de la tensión, obteniéndose los resultados correctos si la suma geométrica de las corrientes de los tres hilos principales es igual a cero. Esta condición se cumple en este caso (ya que no hay neutro), siempre que no se produzcan contactos a tierra o corrientes capacitivas aparentes con respecto a tierra.
Dispositivo de medida de la potencia con tres sistemas (Corriente trifásica de cuatro hilos de carga arbitraria)
En cada sistema de medida se forma el producto de una diferencia de intensidades por una tensión ( estrella). Los sistemas de medida tienen una segunda bobina de campo a través de la cual se hace pasar, en sentido contrario, la corriente del tercer conductor. El punto neutro en el circuito voltimétrico se establece artificialmente. A diferencia del circuito Arón, éste no depende de las asimetrías de la corriente y no implica errores de medida si la suma geométrica de las tensiones de los conductores principales no es igual a cero. Por consiguiente, se aprovecha el hecho que la simetría de las tensiones en las redes de cuatro hilos queda más garantizada que la simetría de las intensidades de corriente.
Utilizando los circuitos de la siguiente figura, se obtienen resultados correctos, tanto si las tensiones son asimétricas como simétricas, es decir, si también pasa corriente a través del neutro.
La potencia de la corriente trifásica es también en este caso: P= UR IR + US IS + UT IT
Si las tensiones son simétricas entonces: UR + US + UT =0
Sustituyendo US= UR-UT
Se obtiene: P = UR . IRS + UT . ITS
4.2 Medición de Potencia Reactiva
Los instrumentos de servicio que miden la potencia reactiva están provistos de dispositivos de medida electrodinámicos con circuito magnético de hierro y uno, dos o tres sistemas.
Los circuitos que se muestran en la siguiente figura son especialmente apropiados para registradores o instrumentos de montaje en tableros de maniobra.
Partiendo de la medición de la potencia activa, la potencia reactiva PQ se mide desplazando la
A continuación se muestra otro método que ofrece, frente a la “conexión 90°”, la ventaja que la medida no depende de la frecuencia.
Al conectar en un circuito de corriente alterna resistencias inductivas y capacitivas, la intensidad de corriente no varía al mismo tiempo que la tensión, sino que se adelanta o se retrasa.
4.3 Medición del Factor de Potencia
Para corriente alterna monofásica:
Para corriente trifásica de tres hilos y carga equilibrada:
Por consiguiente, estás resistencias ocasionan un desplazamiento cronológico entre la intensidad y la tensión, es decir, un “desfase” que, en una representación vectorial, se indica como un ángulo de desfase j, el cual está comprendido entre 0° y 90°.
Para vigilar continuamente el desfase (por ejemplo, en centrales eléctricas y en receptores grandes) se utilizan fasímetros y fasímetros registradores.
Estos aparatos están equipados con medidores electrodinámicos de cocientes provistos de circuitos magnéticos de hierro, cuyas piezas polares son de tal forma que el entrehierro existente entre cada una de ellas y el núcleo es mínimo en el centro y máximo en los extremos.
De este modo, se consigue que el campo generados por el circuito amperimétrico sea aproximadamente sinusoidal. Las dos bobinas móviles están cruzadas y sometidas a tensiones desfasadas en el circuito de cocientes. Las corrientes que fluyen a través de las bobinas móviles originan en el campo magnético no homogéneo pares de giro opuestos, que dependen de la disposición de las bobinas.
Mientras que en el caso de corriente alterna monofásica hay que establecer, mediante un circuito artificial, una tensión desfasada con respecto a la de la red, cuando se trata de corriente trifásica, la
Ajuste Es una función directa del ángulo de desfase ø, de forma que la escala se puede graduar en valores del cos ø (0,5 cap-10,5 ind; 0,8 cap-1-0,2 ind; 0-1, si se supone una carga inductiva).
Par Ajuste Depende de la intensidad de corriente que pasa por el circuito amperimétrico y su magnitud es tal que, a tensión nominal, es suficiente el 20% de la corriente nominal para
4.4 Instrumentos para la Medición de Potencia
Analizador Portátil de Energía.
4.5 Medidor Integral de Variables Eléctricas
Valor Rango aceptable
THD – tensión, intensidad
Trifásico, por fase, neutro De 0 a 3.276,7% thd – tensión, intensidad
Trifásico, por fase, neutro De 0 a 3.276,7%
Tensiones fundamentales (por fase)
Magnitud De 0 a 1.200%kV Ángulo De 0,0 a 359,9°
Tensiones fundamentales (por fase)
Magnitud De 0 a 32.767A
Ángulo De 0,0 a 359,9°
Varios
F.P. de desplazamiento (por fase, trifásico) De -0,002 a 1,000 a + 0,002
Rotación de fases 123 o 321
Desequilibrio (intensidad y tensión)¹ De 0,0 a 100,0%
Magnitudes de tensión e intensidad de los armónicos individuales ² De 0 a 327,67% Ángulos de tensión e intensidad de los armónicos individuales ² De 0,0° a 359,9°
¹ Las lecturas sólo se obtienen a través del enlace de comunicaciones.
² PM810 con un PM810LOG: Las magnitudes de los ángulos de tensión e intensidad armónicos 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10, 11, 12 y 13 se muestran en la pantalla.
La central de medida proporciona una serie de valores de análisis de la potencia que se pueden emplear para detectar problemas de calidad de la energía, diagnosticar problemas de cableado, etc. En la tabla anterior se muestra un resumen de los valores de análisis de potencia.
• THD: La distorsión armónica total (THD) es una medida rápida de la distorsión total presente en una forma de onda y es la relación de contenido armónico con el fundamental. Ofrece una indicación general de la “calidad” de una forma de onda. El THD se calcula para tensión y para intensidad. La central de medida utiliza la siguiente ecuación para calcular el THD, donde H es la distorsión armónica.
• thd: Es un método alternativo para calcular la distorsión armónica total, utilizado ampliamente en Europa. Considera en el cálculo la intensidad armónica total y el contenido de rms total en lugar del contenido fundamental. La central de medida calcula la thd para tensión y para intensidad. La central de medida utiliza la siguiente ecuación para calcular la thd, donde H es la distorsión armónica.
• Factor de Potencia de Desplazamiento: El factor de potencia (PF) representa el grado en que la tensión y la intensidad que entran en una carga está fuera de fase. El factor de potencia de desplazamiento se basa en el ángulo entre los componentes fundamentales de intensidad y tensión. • Valores Armónicos: Los armónicos pueden reducir la capacidad del sistema de potencia. La central de medida determina las magnitudes y los ángulos armónicos individuales por fase hasta el armónico de orden 31 para todas las intensidades y tensiones. Las magnitudes de los armónicos se pueden formatear como porcentaje del fundamental (predeterminado), como porcentaje del valor eficaz o como el propio valor eficaz.
5 Instrumentos de Medición Eléctrica
5.1 Medición de Resistencias
Hay que tener en cuenta que las tolerancias de los aparatos indicadores se refieren a la longitud de la escala, mientras que en los puentes de medida se refieren al valor teórico. Por este motivo, en los puentes de medida, la exactitud que se puede alcanzar dentro de los márgenes indicados permanece constante y muy superior a la de los aparatos de indicación directa, cuyas escalas suelen ser hiperbólicas, de forma que los valores indicados al final de la escala sólo son.
Las medidas de resistencia con estos aparatos se deducen generalmente de mediciones de corriente, es decir, que a la resistencia que se pretende medir se le aplica una determinada tensión, y se mide la corriente que fluye a través de ella.
Aparatos de Medida con Indicación Directa.
ATENCIÓN
Para la indicación se utilizan por regla general instrumentos de bobina móvil con gran sensibilidad, cuyas escalas están calibradas en ohmios y transcurren de derecha a izquierda, puesto que la corriente es máxima cuando Rx=0, y nula si Rx=¥.
U = Tensión de medida.
RV = Resistencia en serie.
A RRXK1==Resistencia a medir.Resistencia del instrumento.
IX = Corriente que fluye a través de RX.
UX = Caída de tensión en RX.
B
A. Instrumento y RX conectados en serie (la medición de las resistencias se reduce a una medida de la corriente, punto cero a la derecha).
B. Instrumento y RX conectados en paralelo (la medición de las resistencias se reduce a una medida de la tensión, punto cero de la izquierda).
Circuitos Básicos para medir Resistencias.
Figura A: Ya que la intensidad de la corriente y, por consiguiente, la desviación de la aguja del instrumento es inversamente proporcional a la resistencia que se desea medir, la escala es hiperbólica. Para el transcurso de la escala es decisiva la resistencia Rk1 + Rv, que determina el valor medio de la escala, pues con la resistencia Rx=Rk1 +Rv, es la corriente que fluye con Rx=0. Para aprovechar al máximo la exactitud garantizada durante la medida, conviene elegir un margen de medida en el que el valor a medir sea del mismo orden de magnitud que el valor medio.
En muchos casos, especialmente cuando se trata de medir pequeñas resistencias, se trabaja con una tensión de medida reducida, en consideración a la capacidad de carga de la resistencia y para no solicitar demasiado la batería, y la resistencia se determina midiendo la tensión, como se muestra en la figura anterior.
Figura B: Conectando en paralelo Rx y Rk1, la corriente que pasa a través de Rk1 es nula si Rx=0 , y máxima para Rx=∞. Por consiguiente, el punto cero de la escala se encuentra a la izquierda, de igual forma que en un voltímetro normal. Este circuito facilita una ejecución linealizada de la escala y permite establecer un límite superior, según la resistencia Rv elegida.
En aparatos con varios márgenes de medida se combinan, a veces, ambos circuitos. En consecuencia,
resistencia óhmica. resistencia óhmica.
Escalas de los ohmímetros de aguja.
5.2 Puentes de Medición
Los puentes de medición son apropiados en primer lugar para medir resistencias. También se utilizan para medir otras magnitudes que se puedan representar como valores de resistencia.
ATENCIÓN
Efectuando el ajuste de cero con aparatos de gran sensibilidad, es posible obtener resultados muy exactos (error aproximado ± 0 ,02% ).
El ajuste de cero es tanto más sensible cuanto mayor sea la tensión de alimentación; sin embargo, ésta queda limitada por la capacidad de carga de las resistencias. Así por ejemplo, un termómetro de resistencia no debe calentarse por efecto de la corriente de medida.
Un factor decisivo para la precisión de la medida es la exactitud de las resistencias que forman el puente, pero también el tipo de conexión de éste último. Son muy favorables los puentes de medida
Las resistencias de aislamiento se pueden determinar, además que con los aparatos de medida de indicación directa, por comparación de desviación (dispositivo de medida de MΩ mF).
Según su constitución mecánica, se distingue entre los puentes de medida provistos de cursor, conmutadores giratorios y contactos de clavija.
Hilo Cursor Es la ejecución más sencilla y económica de una resistencia de medida, permite una medición rápida, pero únicamente se puede utilizar para mediciones de servicio, debido a sus reducidas posibilidades de ajuste.
Conmutador Giratorio Con los puentes provistos de este elemento es también posible realizar medidas con gran rapidez. Estos puentes se efectúan para mediciones de servicio y de precisión. Los conmutadores giratorios de precisión garantizan una resistencia de comparación mínima y constante y una capacidad propia muy reducida ( esto es de gran importancia al medir grandes resistencias, debido al ángulo de pérdidas).
Contactos de Clavijas Los puentes provistos de clavijas, que son muy exactos pero difíciles de ajustar, están actualmente en desuso, empleándose en su lugar los provistos de conmutadores giratorios.
Localización de Defectos en Cables.
Las mediciones necesarias para localizar defectos en cables se pueden efectuar, en parte con un puente normal de Wheatstone, según el método de Varley o por comparación de los conductores.
Método de Varley.
a/b: Relación del div. de tensión.
Rcomp: Resistencia de comparación. L: Longitud del cable.
LX: Tramo del cable hasta un punto defectuoso.
LH: Longitud del conductor auxiliar.
Localización de averías según Varley y Comparación de Conductores con un circuito básico.
La resistencia del tramo LX hasta el lugar del defecto se complementa con la resistencia de comparación Rvg1 hasta el valor correspondiente del tramo restante del bucle (l-LX+LH) , por lo tanto, el punto defectuoso constituye un vértice del puente. Previamente, hay que medir con un circuito en puente normal, la resistencia del bucle RL+RLH.
Suponiendo que la resistencia del cable L sea igual a la del conductor auxiliar LH ( generalmente un segundo conductor del cable), rige la ecuación:
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