Mediciones Electricas

MEDICIONES ELÉCTRICAS

1.- Medición e Instrumentos de Medida

Bajo el concepto de medir se entiende la acción de registrar numéricamente la magnitud de una cantidad cuyo conocimiento interesa. Este registro adquiere significado cuando se compara la magnitud correspondiente con una unidad apropiada. La magnitud de medida es aquella magnitud física, química o de cualquier otra naturaleza, que se pretende medir.

En los métodos de medida se aprovechan determinadas propiedades o efectos del objeto de la medición, para relacionar, mediante un equipo de medida apropiado, la magnitud correspondiente con una unidad definida, o con un valor prefijado. El equipo de medida es el conjunto de todos aquellos componentes con los que se realiza un método de medida basado en un principio determinado. Cuando el equipo consta de una sola unidad, se le denomina instrumento de medida; sin embargo, también se designan como instrumento de medida a aquellas partes de un equipo que son determinantes para las propiedades de medición (patrones de medida, transformadores de corriente, amplificadores). Los restantes componentes de un equipo de medida, que no tienen influencia en las propiedades de medición, reciben el nombre de aparatos auxiliares o acceso¬rios (fuentes de energía, elementos de ajuste, elementos de unión eléctrica, amplificadores de valor cero, etc.)

Los elementos de una instalación o equipo de medida que pueden ser identificados por la función que cumplen (transductores, detectores, ele¬mentos de transformaci6n y elaboración, emisores) no siempre forman componen¬tes propios de aparatos.

Los instrumentos básicos de medidas eléctricas son:

- Galvanómetro : instrumento detector de cero señal

- Amperímetro : medidor de corriente eléctrica

- Voltímetro : medidor de diferencia de potencial

- Wáttmetro : Medidor de potencia activa

- Medidor de energía

- Cosenofímetro : medidor de factor de potencia

- Secuencímetro : indicador de secuencia de fases en sistema trifásico

- Frecuencímetro : medidor de frecuencia de señal alterna

- Osciloscopio : visualizador de onda y medidor de diferencia de potencial

- Circuitos puente : medidores de parámetros de resistencia, capacitancia e inductancia

1.1 Tipos de Mediciones

Es posible distinguir dos tipos de mediciones, basándose en la forma como se representa o registra el valor de la medida: mediciones analógicas y mediciones digitales.

En las mediciones analógicas se representa y registra en forma continua cualquier valor de la magnitud de medida, dentro de un cierto rango previsto de antemano. Por lo tanto, la señal o indicación de medida puede presentar cualquier valor que esta comprendido dentro del rango de señales que corresponde al de medida. Entre los elementos de un equipo se transmiten las llamadas señales de medida, que constituyen una medida de la magnitud, pero que pueden ser de naturaleza física diferente a la de esta última. Por ejemplo, fuerzas o torques, como medida de la corriente eléctrica que pasa a través de un sistema; corriente que entrega en su salida un amplificador, como medida de la tensión aplicada en su entrada; tensión de efecto Hall detectada en una placa conductora, como medida de la corriente que circula por ella; transformación de la energía eléctrica en otra forma de energía, fácilmente percibida, como luz, calor, movimiento, etc. En los instrumentos analógicos se puede distinguir los siguientes sistemas asociados con los respectivos momentos que actúan sobre las partes móviles:

Sistemas Momento

Elemento móvil Deflectante

Soporte De fricción

De amortiguamiento Amortiguador

Resistente (torsión o tensión mecánica) Resistente

En las mediciones digitales (o numéricas) sólo se puede representar en forma discontinua valores discretos de la magnitud de medida, con una graduación más o menos fina. El valor de medida se obtiene por interme¬dio de indicadores de cifras (displays) o impresores. Como la mayor parte de las magnitudes de medida pueden variar en forma continua, se las debe cuantizar primeramente, es decir, el rango de medida se divide en pequeños intervalos y a cada uno de ellos se le asigna una señal de medida discreta.

La exactitud de los métodos de medición digital depende casi exclusivamente de lo fina que sea la cuantización, y se la puede aumentar arbitrariamente, pero para ello se requiere instrumentos más costosos. La principal ventaja de los métodos de medición digital radica en la posibilidad de almacenar las señales de medida cuantizadas, para luego elaborarlas o procesarlas sin que se produzcan errores adicionales.

A continuación se describe brevemente el principio de funcionamiento de los principales instrumentos analógicos y en forma esquemática para los instrumentos digitales.

2. Instrumentos analógicos

2.1 Instrumentos de imán permanente y bobina móvil

Los instrumentos de imán permanente y bobina móvil (I.P.B.M.), cono¬cidos también como tipo d’Arsonval, son los más usados en medidas de corriente continua, como voltímetros y amperímetros; se caracterizan por ser fácilmente transportables, su calibración es casi permanente y su uso es sencillo.

El instrumento se compone de una bobina móvil formada por un gran número de espiras de alambre muy delgado, la que puede girar dentro del entrehie¬rro de un imán permanente. La suspensión de este sistema móvil es, generalmente, de eje y dos descansos. Cuando la bobina es recorrida por una corriente, se pro¬duce sobre ella un torque deflectante que tiende a hacerla girar en contra de un torque resistente que se obtiene usualmente por torsión de un resorte espiral. Entonces puede suponerse que el torque resistente es proporcional al ángulo de torsión del resorte; en la práctica, los resortes en espiral suelen aprovecharse para conducir la corriente a través de la bobina móvil.

Figura 1 Instrumento de imán permanente y bobina móvil

La fuerza que actúa sobre cada lado de la bobina es:

donde B es el campo magnético en el entrehierro, uniforme e independiente de la posición angular de la bobina, idl es la corriente por un elemento de longitud dl, n el número de vueltas de la bobina.

El torque instantáneo, producido por las fuerzas a ambos lados de la bobina, es:

donde d es el diámetro de la bobina.

Usualmente el sistema móvil tiene demasiada inercia para poder seguir las pulsaciones del torque instantáneo, por lo que se deflecta según el valor promedio del mismo:

Si se supone que el sistema resistente (p.e resortes en espiral) proporciona un torque resistente KR por unidad de ángulo de deflexión, entonces en la posición de equilibrio se tiene que:

de donde resulta que el ángulo de giro  es proporcional al valor medio de la corriente. Debido a esta proporcionalidad, este instrumento no mide corriente alterna de frecuencia constante, solo mide corriente continua. Además, la graduación de la escala de lectura será lineal.

Tanto los amperímetros como los voltímetros de corriente continua de I.P.B.M. son instrumentos indicadores de corriente porque su deflexión depende de la corriente que circula por la bobina móvil. Como los resortes de retención sir¬ven para conducir la corriente que pasa por la bobina, la capacidad de corriente de éstos puede llegar a imponer un límite para la corriente de la bobina; ese límite corresponde a aquella corriente que puede circular por los resortes sin incrementar apreciablemente su temperatura debido a la disipación de potencia i2 R ya que un consumo elevado significa una alteración excesiva del circuito bajo medición, y también una alteración mecánica de los resortes. Para obtener rangos de corrientes elevadas en amperímetros (por sobre 20 mA) el elemento móvil (bobina + resortes) es conectado internamente en paralelo con un shunt de muy baja resis¬tencia, por el que se deriva la mayor parte de la corriente que pasa a través del instrumento.

Sólo en los micro amperímetros y mili amperímetros de rangos no mayores que 20 mA toda la corriente circula a través de la bobina móvil. En los voltímetros, cualquiera sea su rango, la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia interna alta, la que tiene por objeto limitar la magnitud de la corriente que cir¬cula por la bobina. En los amperímetros y en los voltímetros, el respectivo mecanismo de limitación de corriente por la bobina tiene también por efecto minimizar la al¬teración que introduce el instrumento en el circuito al que se encuentra conectado.

Un grupo de instrumentos de imán permanente y bobina móvil, de particular interés, lo constituyen aquellos en que la bobina móvil se ha separado en dos bobinas dispuestas en 90º físicos y una de ellas se conecta en serie con una resistencia de valor elevado. De este modo, se consigue que por una bobina circule una señal proporcional a la corriente por el elemento a medir y por la otra bobina circule una señal proporcional al voltaje aplicado al elemento a medir. Se consigue

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