Download Aparatos de Medicióon Eléctrica

PROYECTOS DE TECNOLOGIA
El Taller de
ío
anuel
Aparatos de
Medición Eléctrica
( TEMA DE ESTUDIO )
Proyectos y modelos para construir, divertimiento
instructivo para niños, jóvenes y adultos.
Una vía para aprender las técnicas antiguas y modernas
que ha creado el hombre a lo largo de su historia, en sus
inicios en su lucha por vencer la naturaleza,
actualmente para protegerla
Enseñanza primaria, secundaria, bachillerato, técnico profesional y superior.
Msc. Manuel Cheong Mesa
Aparatos de Medición
Medir una magnitud es compararla con un valor de esa magintud que tomamos como patrón que
definirá a la unidad de esa magnitud, la medida resultado será un múltiplo de esta.
En una balanza de platillos comparamos la masa que queremos medir con masas que tensmo como
patrón.
Al medir una mesa usando una regla comparamos ambas para saber cuantas veces la unidad patrón
centímetro se;alada en la regla está contenida en la longitd de la mesa.
En ocasiones las mediciones no son directas entre magnitudes semejantes por ejemplo: para medir la
temperatura medimos la longitud de la columna líquida del mercurio a lo largo de un capilar de
determinado grosor como resultado de la dilatación del mercurio y el termómetro tiene una escala que
tiene en cuenta la longitud de esa columna líquida para ciertos rangos de temperatura con lo cual nos
está diciendo la temperatura.
Para conocer la precisión de un instrumento de medición se determinan los posibles errores
Error Absoluto
Para saber el error absoluto de un instrumento debemos
hacer dos medidas de la misma magnitud, una con nuestro
instrumento (Ai) y otra con un aparato patrón (Ar), entoces
el Error absoluto será:
Ea = A i - A r
Error Relativo
Es el cociente entre el Error absoluto y el valor máximo de
su escala, se expresa en tanto por ciento por lo tanto lo
multiplicamos por 100.
Sustituyendo Ea en Er
Ai - A r .
100
Er (%) = A máx
Patrón de medida
Se conoce como patrón a un dispositivo o artefacto que
representa o comporta según el valor unitario de
determinada unidad de medida, por ejemplo en e curso de
electromagnetismo estudiamos como definir 1 Ampere a
partir de la fuerza de interacción entre dos consuctores con
corriente, ese es un patrón de intensidad de corriente
Ea .
100
Er (%) =
A máx
El error relativo nos identifica las Clases
de Precisión de un aparato de medición
y están normalizadas según la siguiente
tabla.
Clase
Error relativo
0,1
0,2
0,5
1
1,5
2,5
5
+
- 0,1 %
+
- 0,2 %
+
- 0,5 %
+
-1 %
+
- 1,5 %
+
- 2,5 %
+
-5 %
Características de los aparatos de medición en Electrotécnia
Campo o alcance de la indicación
Esta relacionado con el valor máximo que
se puede leer con el instrumento
0
10
20
30
40
60
80
40
Campo o alcance de la medida
Tiene que ver con los valores efectivos del
instrumentos para aquellos aparatos donde
llos valores extremos o ciertos rangos no
son alcanzables por la magnitud
Constante de escala de un aparato de medida
División entre el campo de medida y el
número de divisiones de la escala. Un
mismo instrimuento puede tener varias
escalas con diferentes constantes.
0
100
200
300
400
0
10
20
30
40
Aparatos analógicos magnetoeléctricos
Los aparatos analógicos magnetoeléctricos basan su funcionamiento en la interacción entre un
campo magnético fijo (imán) y el campo magnético que se induce en una bobina con corriente por
la cual circula la corriente que se desea medir, un resorte antagónico (que se opone a la flexión en
ambos sentidos, espiral) se opone a la flexión de la aguja, deteniéndola en una posición, en la
cual estarán equilibradas las fuerzas de interacción y fuerza elástica del resorte, para ese valor de
fuerza de interacción que ya conocemos se calculan los parámetros eléctricos que se desean
obteniéndose así el valor correspondiente en la escala.
Aparato de cuadro móvil: cuando se construyen dejando fijos los imanes
y que se mueva el cuadro con la bobina a la cual se asocia la aguja
indicadora y el resorte antagónico
S
N
S
N
Aparato de imán móvil: Cuando se construyen dejando fija la bobina en
un enrollado dentro del cual se mueve un imán pemanente al cual se le ha
asociado la aguja indicadora y el resorte antagónico
Características de los aparatos de medición en Electrotécnia
Aparato de inducción están formados por un núcleo de hierro alrededor del
cual se ha enrollado una bobina por donde circula la corriente a medir, el núcleo
de hierro está seccionado de forma tal que una lámina de aluminio puede girar
libremente dentro de él, al pasar corriente por el enrollado se crea un campo
magnético en el núcleo de hierro que provocará la aparición de corrientes de
Foucault en la lámina de aluminio.
Aparatos electrodinámicos son dos bobinas concéntricas por las que pasa
corriente, la bobina exterior induce un campo magnético en su interior que
interactúa con el campo magnético que se induce en la bobina interior, esta
última está asociada mecánicamente a la aguja indicadora y sobre ella actúa el
resorte antagonista.
Aparatos electrotérmicos, usan para su funcionamiento el efecto Joule de la corriente, es decir la
conversión de la energía eléctrica en calor al paso por un conductor y como consecuencia directa de
este desprendimiento de calor la dilatación del metal, el más común está formado por dos conductores
con diferentes coeficiente de dilatación térmica. Al calentarse uno se dilata más que el otro provocando
movimiento de la aguja que se ha conectado mecánicamente a uno de ellos.
Aparatos electrostáticos estan fortmado por placas metálicas muy delgadas
agruopadas en dos armazones una fija y otra móvil como un condenador
variable, estas placas se cargan electricamente e interactúan entre sí provocando
que la armazón móvil rote alrededor de su eje y mueva consigo a la aguja
indicadora.
Estos mecanismos descritos son la parte esencial del aparato de medición, los aparatos que hemos
descrito se usan princiaplmente para la medición del voltage, la intensidad y la potyancia de la corriente
eléctrica en circuitos de corriente alterna y directa.
Conexión en corriente alterna.
Para la conexión de uno de estos aparatos en un circuito de corriente
alterna se emplea un circuito como el que se muestra formado por
dos diodos, está disposición garantiza que por el dispositivo pase la
corriente solo en un sentido, cuando pasa la semionda en directa
para por D1 y es medida, pero cuando viene la semionda contraria
D1 no la deja pasar sino que pasa a través de D2 con lo cual se mide
la onda completa.
A
D1
D2
Receptor
Partes de un aparato de medición
Todo aparato de medición está formado por:
El dispositivo sensor que hemos descrtito anteriormente.
Hemos descrito solo dispositivos analógicos pero también pueden ser digitales.
La escala donde se hará la lectura correspondiente
Ü
Lineales
Ü
Cuadráticas
Ü
Comprimidas
Ü
Con zona muertas
Ü
Logarítmicas
Los dispositivos indicadores.
Agujas indicadoras en los equipos analógicos
Indicadores numéricos siete segmentos
Soportes para las secciones móviles
Dispositivos antagonistas
Dispositivos de amortiguación.
En la escala de los aparatos de medición aparace además información útil para su correcto uso, esta
aparece en la parte inferior de la escala y está formada por los símbolos que ves a continuación,
usando en cada caso el que corresponda.
Simbología teniendo en cuenta el sistema de funcionamiento
Magnetoeléctrico de
cuadro móvil
V G A CD
Convertidor termoeléctrico
con caldeo directo
Magnetoeléctrico
deimán móvil
V G A CD
Magnetoeléctrico con
rectificador
Electromagnético de
hierro móvil
V G A CDCA
Electrodinámico sin
hierro
V AW
Electrodinámico con
hierro ferrodinámico
V AW
Electrodinámico con
hierro
cos
Magnetoeléctrico termoeléctrico de caldeo directo
VA
Convertidor termoeléctrico
(termopar)
VA
VA relés
térm.
Polímetro
Diodo rectificador
Medida de inducción
V AW
Electrotérmico o por hilo de
calefacción
VA W CDCA
Electrotérmico o bimetálico
VA relés
térm.
Electrostático
Electromagnético de
vibraciones
V
Frec.
Simbología teniendo en cuenta el tipo de corriente
Corriente continua
Aparato para
corriente continua
Trifásica con un
circuito medidor
Vatímetro trifásico
en red equilibrada
Corrientes continua y
alterna
Aparato corriente
alterna y continua
Trifásica con dos
circuito medidor
Vatímetro trifásico
en red sin Neutro
Corriente alterna
Aparato corriente
alterna
Trifásica con
trescircuito medidor
Vatímetro trifásico
con Neutro
Simbología teniendo en cuenta la posición
Posición de uso vertical
Posición de uso
horizontal
300
Posición de uso
inclinada (ej. 30 grado)
Simbología teniendo en cuenta la posición
1
Tensión de prueba de
aislamienro (1 Kv)
Tensión de prueba no se
expresaenton es de 500 V
0
No ha sido ha prueba de
asilamiento
Simbología con instrucciones especiales
Posición cero de la
aguja ajustable
Pivote para ajuste
de la aguja
Sometido a tensiones
peligrosas
No toca rle aparato
sin precaución
Apantallamiento
magnético
Protegido contra
campos magnéticos
Apantallamiento
electrostático
Protegido contra
campos eléctricos
Aparato con instrucciones
especuiales de uso
Consulte el manual
antes de usarlo
Medida de la Intensidad de la corriente
l La intensidad de la corriente eléctrica se mide usando el Amperímetro.
l El Amperímetro se conecta en serie a la sección del circuito donde se
quiere saber la intensidad
l En circuito de corriente continua se conectan respetando su polaridad
l Como su resistencia interna puede incidir en el valor expresado suelen
tener resistencia interna muy baja para que pueda ser despreciada.
l Pueden ser analógicos o digitales
l Se construyen con diversos sistemas de funcionamiento de los
estudiados, los distintos sistemas de funcionamiento tienen alcances y
precisiones diferentes.
A
I
U
R
Símbolo del Amperímetro.
Modo de conexión para medir la
intensidad en de la corriente que
pasa por el receptor
Cómo medir intensidades mayores que las que soporta un amperímetro
I
Ia
Is
U
En este circuito hemos colocado una resistencia Rs paralela al
Amperímetro de modo tal que su resistencia sea menor que la
del aparato, su valor es preciso y conocido.
A
Rs
R
La corriente se divide pasando por Rs mayor corriente que
por el Amperímetro (Ia < Is) pero cumpliendo que la corriente
inicial es igual a la suma de las corrientes que pasa por
ambas ramas es decir I = Ia + Is, como se conoce el voltage
y el valor de Rs se puede calcular Is usando la Ley de Ohm
I=U/R y con la lectura del amperímetro sabemos el valor de
Ia, entonces I es la suma de Ia e Is
Como ves de esta manera pudimos medir una intensidad alta con unn amperímetro de
intensidades altas. A esa resistencia Rs se le conoce como SHUNT y se conecta como ves en el
circuito,son resistencia de poco valor, precisas y que soportan corrientes relativamente altas.
Usando la Ley de Ohm podemos escribir
Ia . Ra = Is . Rs (1)
De (1)
RA
Rs =
I
IA
Rs =
RA
m 1
y
I = Ia + Is
si definimos m=
1
I
IA
no s queda
Teniendo en cuenta el rango de la intensidad a medir y la que soporta el
Amperímetro podemos calcular el valor de un SHUNT a colocar en paralelo
para que el mismo nos proporcione una medida exacta de la intensidad de
corriente en el circuito aunque ese valor sea mayor que el que el mismo
equipo soporta
Se construyen SHUNTs de diversos valores, desde 1A hasta 6000 A, en ocasiones vienen con los
propios amperímetros y se usa la manganina, aleación de manganeso, cobre y níquel.
Cómo medir intensidades mayores que las que soporta un amperímetro
Para intensidades aún mayores y con mayores prestaciones desde el punto de vista de su uso hay otro
método para medir intensidades altas y es usando transformadores de corriente, de modo que
disminuyan la corriente antes de llegar al aparato y que nos permitan hacer una lectura precisa.
L
N
Aquí ves el circuito con un transformador de
intensidades, en el primario se conecta la intensidad
a medir y el secundario a un amperímetro, los
enrollados es de muy baja impedancia.
I1
I2
A
Receptor
Transformador de barra pasante
En la practica la corriente en el enrollado secundario
es aproximadamente 5A mientras en el primario
puede ser de 5, 10, 20, 30, 50, 75, 100, hasta llegar
a 4 000, 6 000, y 10 000 A.
K=
I1
I2
Relación de transformación
En este tipo de transformador de intensidad el primario es el propio conductor donde queremos
medir la intensidad de la corriente y el secundario es un devanado alrededor de un núcleo, en
ocasiones este núcleo tiene un mecanismo que permite abrirlo para dejar pasar el conductor por
dentro de él, el secundario se conecta a un aparato de medición y se obtiene una lectura, este tipo
de amperímetro se conoce como Pinzas amperimétricas
Este tipo de Amperímetro puede medir desde 50 hasta 10 000 A.
Si doblamos el conductor alrededor del núcleo tendremos un nuevo campo
de medidas, por ejemplo: si sencillo es 300/5A al darle una vuelta la núcleo
será 150/5A y dos vueltas 100/5A.
Las pinzas amperimétricas ofrecen muchas posibilidades de uso pues se
puede medir la corriente si desconectar el circuito.
Transformador con primario devanado
Este transformador tiene un primario devanado sobre el secundario y ambas sobre un núcleo de
hierro, le entrega al aparato 5A y admite en el primario intensidades hasta 100A.
La conexión a tierra es imprescindible en eeste equipo pues al desconectarlo, es
decir al abrir el secundario, aparecen tensiones muy altas que pueden dañar el
equipo y las personas.
Conexión del Amperímetro
Circuito Trifásico
Circuito Monofásico
L
L1
N
L2
P1
L3
S1
P1
A
P2
S1
A1
S2
P2
Receptor
S2
P1
S1
A2
P2
S2
P1
S1
A3
P2
S2
Receptor
Otras representaciones normalizadas de transformadores de intensidad
P1
P2
S1
S2
P1
S1
P2
S2
Medida del voltaje de la corriente eléctrica
La tensión de la corriente se mide con el voltímetro, este instrumento
basa su funcionamiento en cualquiera de los tipos de aparatos que vimos
anteriormente y pueden ser analógicos y digitales y miden la tensión en
corriente alterna y directa.
 Se conectan en paralelo a la sección del circuito a la cual queremos
calcular su tención.
 Tienen polaridad que debe respetarse cuando se conectan en
corriente directa para equipos analógicos.
 Como sabes se conectan en paralelo por lo tanto la resistencia
interna incide de manera diferente que en el caso del amperímetro, por
ese motivo el voltímetro ideal debe tener resistencia infinita. En la
practica se consigue elevarla considerablemente hasta valores de hasta
250 000 ohmios.
I
U
V
R
Cómo medir intensidades mayores que las que soporta un amperímetro
Para aumentar el alcance de un voltímetro tenemos dos métodos similares a los del amperímetro:
colocando una resistencia adicional en serie que provoque una caída de tensión antes de llegar a él o
poniendo un transformador de tensión.
Uv
En este circuito se ha colocado una resistencia Ra en serie al voltímetro,
esta resistencia adicional debe ser de precisión, calibrada y de valor
elevado para que provoque una caída de tensión considerable dejando
menos tensión para el instrumento.
R Estas resistencias se construyen de Manganina o constantán.
Aquí el voltaje U es igual a la suma de Uv y Ua al estar en paralelo.
y a partir de la Ley de Ohm
Rv
V
I
U
Ua
Ra
Ua = Iv . Ra
y
Uv = Iv . Rv
dividiendo estas expresiones y resolviendo nos queda
Ra =
(
U
U
- 1 R v si hacemos m = U queda
Uv
v
)
Ra = ( m -1) Rv
Con esta expresión sabremos el valor de la resistencia adicional a colocar en serie para conectar el
voltímetro, el valor de m se tendrá con aproximación teniendo en cuenta que el voltaje que se está
calculando pues el valor a calcular pero se sabe el rango.
Cómo medir intensidades mayores que las que soporta un amperímetro
L1
Podemos medir voltajes altos usando un transformador
que provoque una caída de potencial antes de llegar al
equipo de medición, debe conocerse de antemano la
relación de transformación del mismo, es decir
L2
L3
P1
S1
U1
U2
P2
V
K=
S2
Receptor
U1
U2
=
N1
N2
Debe conectarse también a tierra un terminal para evitar descargas desagradables y peligrosas.
En general en la placa los transformadores muestran las tensiones de primario y secundario por
ejemplo si muestra 600/100 significa que la tensión nominal en el primario es de 600 v y en el
secundario 100 v
L1
SíMBOLOS NORMALIZADOS
DE TRANSFORMADORES DE TENSIóN
L1
L2
L2
L3
L3
P1
P1
S1
V
P2
V
P2
S1
S2
S2
Midiendo tensión de fase
Midiendo tensión de línea
P1
S1
P2
S2
P1
S1
P2
S2
MEDIDA DE RESISTENCIAS
Para la medida directa de la resistencia en na sección de cicuito o de un receptor en particular se usa
el OHMíMETRO, este aparato de medición, que puede ser analógico o digital, está formado
principalmente por un aparato magnetoeléctrico de cuadro móvil conectado en serie a una resistencia
variable, una batería de tensión constante y un interruptor.
RA
A
R0
Al usar el ohmímetro primero cerramos el interruptor K y usando R0
ajustamos el nivel o de la escala, que en muchos equipos está a la
inversa de la escala, es decir a la derecha.
A
U
Rx
K
B
Es frecuente que tengan cuatro escalas identificadas como
Rx1, Rx10, Rx100 y Rx1k que la lectura que muestre el equipo deba
multiplicarse por 1, 10, 100 y 1000 respectivamente.
Debe ytenerse la precaución de revisar la batería y asegurarse de que
su valor no dañe la resistencia que vamos a medir.
No tocar con las manos los bornes de contacto.
Medida
de la potencia
la energía consumida
circuito de la corriente
Comprobación
de ycontinuidad
y de sentidopor
deun
circulación
Es muy útil es uso del ohmímetro para medir la continuidad de un conductor que por lo general no
tenemos acceso, por ejemplo los conductores de una vivienda dentro de los tubos empotrados o los
conductores del enrollado de un motor. En este caso si el conductor tiene cierto valor de resistencia es
porque hay continuidad si está partido no dará continuidad por lo que resistencia será infinita.
Un método similar también sirve para identificar los conductores que se encuentran dentro de un tubo
en el sistema de alumbrado casero o incluso en un sistema telefónico o red de ordenadores.
Usando este mismo método se puede conocer la polarización de un diodo, se conecta en directa y el
ohmímetro muestra una resistencia baja si se conecta en inversa la resistencia es infinita.
Medida de la resistencia usando voltímetro y amperímetro
A
U
V
Rv
Ra
I
En este circuito hemos conectado amperímetro y voltímetro en un circuito
donde hay una resistencia y una fuente de tensión directa con la intención
de calcular el valor de la resistencia Rx usando la Ley de Ohm.
Rx
La corriente I que marca el amperímetro es la que pasa por Rx pero el
voltímetro indica la tensión en el amperímetro más la de la resistencia Rx;
U = UA + UR
como
R = RA+ R X
calculamos
UA
U
= RA y R = R X
I
I
R=
UA + UR UA + UR
U
=
=
I
I
I
I
de aquí concluimos que al aplicar la Ley de Ohm con los valores de V e I medidos
por los instrumentos, se obtiene un valor de resistencia que es igual a la suma de
la resistencia que deseamos hallar más la resistencia interna del amperímetro, en
este caso si la resistencia a calcular es mucho mayor que la del amperímetro podemos despreciar
esta y asumimos esta como la R a calcular.
Este método se conoce como MONTAJE LARGO y se usa para resistencias grandes, existe otro
método similar con algunos cambios en el circuito que se conoce como MONTAJE CORTO y es como
sigue.
Este circuito corresponde al montaje corto, en este caso el voltímetro mide
A
la tensión en Rx pero el amperímetro mide la intensidad que pasa por el
Iv
IR voltímetro y por la resistencia, al estar estos en paralelo la intensidad
Ra
medida es la suma de estos dos valores.
Como
los voltímetros tienen resistencia interna alta entonces podemos
U
R
x
Rv
despreciar la corriente que pase por el asumiendo que el valor de la
V
resistencia es la que mide el instrumento. Este método es para resistencia
pequeñas.
Aparatos de Medición
Existen otros método como el de comparación de tensiones, comparación intensidades y el puentes de
Weatstone, en los cuales en circuitos con determinada complejidad se hacen mediciones de I y V y por
comparación y tanteo se establecen los valores de las resistencias que se desean conocer.
Polímetros
El Polímetro o Multímetro es un instrumento de medición de gama ancha pues ofrece dispositivos para
la medición de Intensidad, voltaje y resistencia, ofreciendo varias escalas para cada una, tienen un
conmutador para cambiar la magnitud a medir, la escala correspondiente y el tipo de corriente (alterna
o directa según sea). Algunos de estos equipos miden también capacidad, frecuencia, etc. Pueden ser
analógicos y digitales.
La medición directa de l potencia se hace con el VATíMETRO, instrumento que se conecta a la línea de
corriente y mide el consumo energético.
Para el cálculo de la potencia que disipa un circuito de corriente directa usamos la expresión
P = U. I de modo que conociendo el valor de estas magnitudes el cálculo es directo, es decir,
colocamos un amperímetro y un voltímetro junto al receptor de corriente y hacemos las medidas
correspondientes, con estos datos calculamos la potencia disipada.
Anteriormente vimos que esta colocación de instrumentos de medición para medir V e I se podía hacer
siguiendo dos criterios de conexión conocidos como Conexión Corta y Conexión Larga.
Conexión larga
Conexión Corta
P = Pa + Pr; esto significa que la potencia
disipada es igual a la potencia consumida por el
receptor más la que consume el amperímetro.
P = Pr + Pv; La potencia es igual a la suma de la
potencia del receptor y la disipada por el
voltímetro.
Si se utilizan amperímetros de muy baja
resistencia interna entonces la potencia disipada
por el amperímetro es despreciable a partir de
que
Los voltímetros son aparatos de resistencia interna
muy alta por lo que la potencia disipada por el
instrumento en este caso es también despreciable
a partir de
P = I2 R
2
P=
U
R
Para valores considerables de potencia el cálculo de la misma usando voltímetro y amperímetro es
válido pues en los dos métodos de conexión la resistencia de los instrumentos es despreciable, no
obstante si se sabe de anrtemano
Aparatos de Medición
La medición directa de l potencia se hace con el VATíMETRO, instrumento que se conecta a la línea de
corriente y mide el consumo energético.
Para el cálculo de la potencia que disipa un circuito de corriente directa usamos la expresión
P = U. I de modo que conociendo el valor de estas magnitudes el cálculo es directo, es decir,
colocamos un amperímetro y un voltímetro junto al receptor de corriente y hacemos las medidas
correspondientes, con estos datos calculamos la potencia disipada.
Anteriormente vimos que esta colocación de instrumentos de medición para medir V e I se podía hacer
siguiendo dos criterios de conexión conocidos como Conexión Corta y Conexión Larga.
Conexión larga
Conexión Corta
P = Pa + Pr; esto significa que la potencia
disipada es igual a la potencia consumida por el
receptor más la que consume el amperímetro.
P = Pr + Pv; La potencia es igual a la suma de la
potencia del receptor y la disipada por el
voltímetro.
Si se utilizan amperímetros de muy baja
resistencia interna entonces la potencia disipada
por el amperímetro es despreciable a partir de
que
Los voltímetros son aparatos de resistencia interna
muy alta por lo que la potencia disipada por el
instrumento en este caso es también despreciable
a partir de
P = I2 R
2
U
P=
R
Para valores considerables de potencia el cálculo de la misma usando voltímetro y amperímetro es
válido pues en los dos métodos de conexión la resistencia de los instrumentos es despreciable, no
obstante si se sabe de anrtemano