Características Constructivas de los Equipos de Medición Eléctrica Analógicos

 En esta entrada, vamos a ver como son en su interior algunos tipos de equipos de medición eléctrica.

Vamos a arrancar con algunos aparatos analógicos que aunque no se utilicen mucho en la actualidad, todavía se encuentran funcionando y es interesante conocer su interior y su tecnología.

Los equipos analógicos informan el valor medido mediante el uso de una aguja que se mueve sobre una escala, que puede ser lineal, cuadrática, logarítmica, etc. Son generalmente muy simples y para la mayoría de las mediciones no necesitan una alimentación externa.

1) Aparatos de Medición Magnetoeléctricos.

Estos aparatos basan su funcionamiento en la acción recíproca de dos campos magnéticos producidos por una imán permanente y una bobina. Uno de los campos magnéticos e fijo y el otro móvil. Cuando la bobina es el elemento móvil , el aparato se denomina de bobina o cuadro móvil, y cuando es el imán el elemento móvil, el aparato se denomina de imán móvil.

El imán permanente (1) junto con el cilindro (2) , crea en el entrehierro un campo magnético uniforme dentro del cual puede girar la bobina (3). El sentido de arrollamiento de los conductores en la bobina es tal que , cuando hacemos pasar una intensidad por la misma, el campo magnético creado se opone al del imán permanente , provocando el movimiento de la bobina en el sentido indicado. Un resorte antagonista (4) en forma de espiral, se encarga de crear un par antagonista que equilibra el creado por la intensidad al pasar por la bobina deteniendo la aguja en el valor correspondiente a la corriente que se esta midiendo.

Cuando se conecta este aparato a una corriente alterna , que cambia de sentido dos veces en cada ciclo, la bobina  móvil no puede moverse con tanta rapidez, y se queda inmovilizada. Por lo tanto , para medir C.A. será necesario colocar un rectificador, que convierta la corriente alterna en corriente continua.

Este tipo de equipos pueden usarse como Voltímetro o como Amperímetro.

Ahora, ¿ Como hacemos para medir distintas magnitudes y fondos de escala?

Este tipo de equipos soporta un corriente directa muy baja,  por lo que para permitir que circulen grandes corrientes por la bobina utilizamos resistencias , las que se colocan en paralelo (para hacer un amperímetro ) o en serie (para hacer un Voltímetro) con la bobina móvil.

Funcionamiento como amperímetro

Básicamente, lo que se hace es construir un Divisor de Corriente

En el nodo A la corriente i se divide en dos: i1 e i2. Por ley de Kirchhoff se tiene que cumplir:

i = i1 +i2

además

VAB = i1R1 = i2R2

De las dos ecuaciones anteriores podemos deducir las siguientes relaciones:

Vamos a aplicar este principio a nuestro diseño. Supongamos que disponemos de un galvanómetro cuya corriente máxima es Im y cuya resistencia interna es Ri, y queremos construir con él, un amperímetro capaz de medir una corriente I, donde I>Im. Si colocamos el galvanómetro en una de las ramas de un divisor de corriente, obtenemos la configuración mostrada

Por lo tanto, teniendo el valor de la Resistencia interna y la corriente máxima del galvanómetro, y de la Corriente máxima a medir, se calcula la resistencia necesaria para la derivación.

Amperímetro de varias escalas.

Si queremos diseñar un amperímetro de varias escalas, para cada una de ellas tendremos que calcular la resistencia que debemos colocaren paralelo con el galvanómetro. La configuración más simple de este instrumento es la mostrada en la Figura.

Calculamos cada una de las Resistencias con las formulas que desarrollamos antes, y debemos tener en cuenta que la resistencia para la primera escala  será directamente la R1 encontrada, pero para cuando movamos el selector hacia la segunda escala debemos tener en cuenta que la R calculada para esta corriente, deberá ser la suma de R1 + R2. Por ejemplo, si para una escala de 10 mA la resistencia calculada fuese de 10 ohms, entonces la R1 tendrá ese valor, pero si para la segunda escala de 100 mA la resistencia calculada fuese de 100 ohms, entonces la R2 deberá valer 90 ohms, ya que 

10 ohms+90 ohms=100 ohms

De la misma manera se irán calculando el resto de las Resistencias hasta terminar todas las escalas de las que dispone el amperimetro.

Errores en la Medición

 

                   

Al medir se cometen diversos tipos de errores que modifican el valor real de la medición. Esto nos puede llevar a un diagnóstico o cálculo erróneo

Las fuentes y tipos de errores son variados, entre lo mas comunes se pueden citar:

 Errores de lo instrumentos o aparatos de medida: Son consecuencia de las imperfecciones de construcción, acabado y ajuste de los mismos. Se llama ajuste a la operación de regular o calibrar un aparato de medida. 

Errores de influencia: Son consecuencia de la acción del medio ambiente sobre el aparato. Por ejemplo la temperatura o la presencia de campos eléctricos o magnéticos.

 Errores de conexión: Son consecuencia del procedimiento de medida. 

Errores personales: son consecuencia de la observación, lectura y valoración defectuosa de la indicación. 

Errores Sistemáticos: Normalmente son debidos a imperfecciones apreciables de los útiles, aparatos conexiones y ambiente de la medida, dando como consecuencia un resultado incorrecto. En cada caso, tienen una magnitud y signo determinado, pudiendo compensarse mediante correcciones. 

Errores Accidentales: Aparecen por modificaciones no apreciables directamente de los aparatos y magnitudes de medida del medio ambiente y por lectura y observaciones defectuosas. Se distribuyen estadísticamente en ambos lados del valor probable pudiéndose calcular y compensar por cálculos estadísticos adecuados. 

Formas de expresar el error:

 a- Error Absoluto: Se define como la diferencia entre el valor leído y el valor exacto (que se supone conocido). 

                                              εa (Error absoluto ) = Xl - Xv 

donde: Xl es el valor leído y Xv es el valor verdadero 

b- Error Relativo: Es el error absoluto dividido por el valor verdadero. Da una idea de la incidencia o “ peso relativo” del error respecto a la magnitud de lo que se mide. Así un error de 1 V respecto a 1000 V es muy pequeño, mientras que el mismo error de 1V respecto a 10 V es inaceptable.

                                    εr (Error Relativo) = εa / Xv = ( Xl – Xv ) / Xv 

c- Error Porcentual: Es el error relativo referido a 100.

                                 ε% = ε r / 100 = ( εa / Xv) * 100 =[ ( Xl – Xv ) / Xv] * 100 

Análisis Estadístico 

Midiendo varias veces la misma magnitud con igual o distinto procedimiento y como consecuencia de los errores accidentales se obtienen diversos resultados para la medición. La valoración de estos resultados aplicando técnicas estadísticas permite obtener el valor verdadero y la inseguridad en la medida. 

Valor Medio (Media aritmética). Si un observador repite la misma medida con los mismos medios y en idénticas condiciones, todos los valores tienden el mismo peso estadístico. El valor medio x se calcula para los n valores de x1 hasta xn según la fórmula: 

                                                           

Errores en instrumentos analógicos

 Clase de un instrumento: 

Se expresa como el error porcentual máximo que produce ese instrumento respecto al valor máximo (fondo de escala) que puede indicar. 

Ejemplo: Voltímetro clase 0,5                 Alcance 0 – 150 V 

ε% = + 0,5 (respecto a 150 V) 

De ε% r = (εa / Xmax) * 100 , se tiene que el error absoluto cometido es

                                             εa = (ε% r . Xmax) / 100 = + 0,75 V

 De modo que este instrumento indica con un error absoluto de 0,75 V . Esta indicación puede ser mayor o menor que el valor verdadero por lo cual el error puede ser por exceso o defecto, es decir: 

εa = +/- 0,75 V 

Este error absoluto de la medición representa con su doble signo un intervalo dentro del cual se ubica el valor verdadero      

El error absoluto depende fundamentalmente del rozamiento y la temperatura, por lo tanto, no depende de la posición angular de la aguja, es decir tiene el mismo valor para cualquier lectura que se realice con un instrumento determinado. Como el Error Absoluto es uniforme a todo lo largo de la escala, es decir, en todo el alcance de un instrumento si se lo desea expresar en forma porcentual resulta: 

- mínimo para una lectura ubicada a “fondo de escala”

- tiende a infinito para lecturas próximas a cero

La Clase de los instrumentos esta normalizada y toma los siguientes valores:

·         Instrumentos de medida de precisión (de uso en laboratorios): Clases 0,1; 0,2; 0,5.

Instrumentos de medida de uso industrial: Clases 1; 1,5; 2,5; 5.

Errores en instrumentos Digitales

En multímetros digitales, la precisión se expresa por dos términos. Uno de ellos es la cantidad de dígitos fijos de error y el otro término puede expresarse de dos formas:

        a) Porcentaje de error , mas/menos los  dígitos menos significativos de la resolución dada

Por ejemplo, supongamos que las especificaciones del instrumento son las siguientes:

Por ejemplo, en un multímetro de 3 dígitos y medio, en la escala de 200 mV, a fondo de escala tenemos una lectura de 199,9 mV. El último dígito puede resolver 0,1 mV, o sea, 100mV (Resolución).

El error es de 0,1 % y de un 1 dígito, en consecuencia, para una lectura de 124,5 mV, por el error de un 1 dígito, el error es de 0,1 mV; y por el error porcentual, el error es de 0,1% de 124,5 = 0,1245 mV. En consecuencia el valor real será:

(124,5 - 0,12 - 0,1) (124,5 + 0,12 + 0,1)

124,28 mV £ valor real £ 124,72 mV

     b) Error expresado en dígitos: = + x dígitos

Por ejemplo, si el error es de + 2 dígitos en la escala de milivolts, y tenemos una lectura de

1.499 volts, esto significa que el error es de + 2 milivoltios y la lectura real puede ser 1501 a 1597 mvolts. Este tipo de indicación de error es fijo, o sea independientemente del valor leído.

El error es siempre de igual cantidad de dígitos por arriba o por abajo del valor indicado.

 

 

 

El Inicio: Algunas Definiciones en Mediciones Eléctricas

                   

Saludos a todos, en la primera entrada a este blog voy a empezar con las definiciones que nos van a acompañar a lo largo de esta materia. Medición significa comparar una magnitud de valor desconocido con una unidad de medida propiamente elegida, por ejemplo, si queremos saber cuántos kilogramos (magnitud) pesa una persona (valor desconocido) , utilizaremos una balanza que indique el peso en una pantalla o dial que indiquen kilogramos (unidad de medida elegida).Esta operación se efectúa mediante un experimento físico. 

Una Medición Eléctrica tiene por objeto medir magnitudes como voltaje, corriente, resistencia, potencia, frecuencia, etc., mediante el uso de un Instrumento, que es dispositivo para determinar el valor o magnitud de una cantidad o variable: Voltímetros, Amperímetros, Frecuencímetros, etc.

 Exactitud y Precisión de un Instrumento 

La Exactitud de un instrumento es la  aproximación con la cual la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida, mientras que la Precisión es la  medida de la reproducibilidad de las mediciones. Es una medida del grado con el cual mediciones sucesivas difieren unas de otras.

         

               

Como se puede ver en los gráficos,  la exactitud de un equipo puede mejorarse mediante la Calibración del mismo, mientras que la precisión depende de la calidad y características constructivas del mismo (ahí tenemos la razón de la diferencia de precio entre distintos instrumentos )

Otras Características de los Instrumentos

Rangos: Los rangos son las distintas escalas que el instrumento tiene a fin de dar una lectura adecuada dentro de la resolución establecida en la especificación.

Fondo (Full) de escala: Es el máximo valor de lectura en la escala en uso.

Cifras significativas: El número de cifras significativas,  es importante a la hora de cuantificar magnitud y precisión de las mediciones de una cantidad. Es importante remarcar que, cuando se manejan valores medidos con distintas cifras significativas, suele cometerse el error de escribir el resultado del error absoluto con cifras que carecen de sentido

Factor de Escala : Este está dado por la relación entre el rango elegido y el número de divisiones de dicho rango.

Linealidad: Es la máxima desviación de la lectura del instrumento con respecto a una línea recta que une  los puntos extremos del rango de medición. Cuanto más lineal sea el instrumento más preciso será.

Sensibilidad: Es la habilidad de un instrumento para indicar pequeños cambios de la magnitud medida.

Resolución: Es el menor valor de lectura que puede identificar el instrumento en la escala en uso.

Impedancia de entrada: Al intentar medir una magnitud , el instrumento necesita afectar el valor de esa magnitud medida a fin de cuantificarla. La impedancia de entrada es una medida de la capacidad del instrumento de medir esa magnitud, afectándola el menor grado posible. En un voltímetro, a mayor impedancia de entrada, mejor será la calidad del instrumento. En los instrumentos analógicos esta es variable de acuerdo  al rango utilizado y se expresa en ohm/volt , que se llama Resistencia especifica. La resistencia de entrada es:

                                               Rv= R especifica (Kohm/V) x Rango (V)

En los instrumentos digitales, la resistencia de entrada es un valor fijo que depende del modo de lectura, independiente de la escala usada.

En el caso de  medición de corrientes, se da también la máxima caída de tensión que se produce en los terminales de entrada del instrumento.

Máximos Valores de Voltajes y Corriente Admisible: Los multímetros son instrumentos que pueden soportar un determinado valor máximo de voltaje y corriente aplicable en sus extremos. Estos valores son los máximos absolutos que pueden ser aplicados, aun cuando en la escala más grande el display pueda medir un valor mayor.

En Voltaje alterno, se especifican el máximo voltaje eficaz, y el Máximo Valor pico que corresponde este último con el máximo voltaje de continua admisible por el instrumento. En alterna se deben respetar los dos Máximos, ya que si el voltaje eficaz es menor al máximo admisible, pero el pico es mayor, esa señal no se puede medir porque puede dañar el instrumento, ya que supera uno de los límites.

En caso de corriente, el máximo se refiere a máximo eficaz de corriente que está limitado por protección por un fusible interno.

Condiciones Ambientales de Uso: Se refiere a las condiciones de temperatura , humedad , polvo, etc, en las cuales pueden ser usados los instrumentos , y en las cuales se cumplen las especificaciones indicadas por los manuales.

Para finalizar esta primera entrada, un punto muy importante que generalmente olvidamos: cada vez que expresamos un medición que hemos realizado, recordemos que es fundamental colocar junto al valor la magnitud que corresponde, si hablamos de voltaje pondremos V (Volts), o si medimos intensidad colocaremos A (Amperes), o alguno de sus múltiplos o submúltiplos. Consideremos que quien lee nuestros informes debe poder entender claramente y sin dudas lo que queremos dar a conocer.