TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION
INSTRUMETOS GALVANOMETRICOS ESTRUCTURA DEL CAPITULO 2.1.
Instrumentos Galvanométricos
2.2.
Instrumentos Electrométricos
2.3.
Instrumentos Integradores
2.4.
Instrumentos para facturación de potencia y energía
2.5.
El Osciloscopio
OBJETIVOS
Que el lector utilice bien los conceptos de los instrumentos galvanométricos, sus variaciones y su utilidad.
Saber la aplicación correcta tanto teórica como practica
2.1 INSTRUMENTOS GALVANOMETRICOS
1.1.
Concepto de instrumentos Galvanométricos
Son instrumentos en las cuales, su indicación y operación se deben a la corriente eléctrica y que su funcionamiento, está dada frecuentemente por los fenómenos de interacción electrodinámica entre dichas corrientes eléctricas y los campos magnéticos, muchas veces también se utilizan las propiedades físicas de la dilatación térmica. Su funcionamiento está basado en la interacción de la intensidad de corriente y el campo generado por un imán. Este instrumento está diseñado de tal forma que el imán de naturaleza permanente o un electroimán que produce un campo magnético generando una fuerza cuando hay un flujo de corriente cercana a dicho imán. La parte móvil bien puede ser un imán o la bobina. La fuerza causada en dicho fenómeno inclina o mueve al elemento móvil en grado que es proporcional a la corriente. El elemento móvil puede tener un puntero o algún otro elemento similar que nos permita leer en un dial el grado de inclinación generado por la medida. Existen muchos tipo de galvanómetros pero los más conocidos y usados son los galvanómetros de D'Arsonval*
JACQUES ARSÈNE D'ARSONVAL
(La Borie, 1851 - París, 1940) Médico y físico francés. Realizó sus estudios de Medicina en las universidades de Poitiers, Limoges y París. En el curso de sus investigaciones ideó, junto con Marcel Desprez, un tipo de galvanómetro sensible a corrientes muy débiles cuyo funcionamiento se basa en la inducción entre dos bobinas, una de las cuales se encuentra fija.
1.2. Clases de galvanómetros según la corriente a medir
Micro amperímetros
Figura 2.1 micro amperímetro Este galvanómetro (Figura 1.1.) esta calibrado en millonésimas de amperios, en cuanto aun miliamperímetro en milésimas de amperios Debemos recordar que los galvanómetros convencionales no pueden utilizarse para medir corrientes alternas, porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos direcciones.
Electrodinamómetros
Figura 2.2 Electrodinamometro. El electrodinamómetro, es una variante del galvanómetro puede utilizarse para medir corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor contiene una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar del imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la móvil se invierten en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la corriente. Los medidores de este tipo sirven también para medir corrientes continuas.
PRINCIPIO DEL ELECTRODINAMOMETRO
La figura 1.2 muestra el principio de funcionamiento de los instrumentos de tipo electrodinamómetro. Las tres bobinas están conectadas en serie y la interacción entre sus respectivos campos magnéticos produce una fuerza de torsión, sobre la bobina móvil, proporcional a la intensidad de la corriente que circula por las mismas. La parte fundamental del instrumento consiste en una bobina fija dividida en dos partes, y una bobina móvil sostenida por un eje entre las dos secciones de la bobina fija. Cuando circula una corriente alterna a través de ambas bobinas, que están conectadas en serie, se inducen alternativamente polos idénticos en los extremos de la bobina fija y móvil, cuya interacción hace girar la bobina móvil proporcionalmente a la intensidad de la corriente que circula por las bobinas.
Medidores de aleta de hierro
Este instrumento utiliza dos aletas de hierro dulce, una fija y otra móvil, colocadas entre los polos de una bobina cilíndrica y larga por la que pasa la corriente que se quiere medir. La corriente induce una fuerza magnética en las dos aletas, provocando la misma inclinación, con independencia de la dirección de la corriente. La cantidad de corriente se determina midiendo el grado de inclinación de la aleta móvil.
Medidores de termopar
Para medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen del efecto calorífico de la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la corriente por un hilo fino que calienta la unión de termopar. La electricidad generada por el termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira. El hilo está unido mecánicamente a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada con valores de corriente.
1.3. Instrumentos de bobina móvil Estos son instrumentos de índice desplazable, de aguja los normales o de espejo o haz luminoso lo más sensibles. Consta de un imán permanente que proporciona un campo magnético constante de una relativamente alta inductancia en el que puede girar una bobina devanada sobre un carrete muy liviano de forma rectangular (de ahí el hombre de cuatro móvil) de un determinado número de espiras por la que se hace circular la corriente de medida. Para minimizar el efecto magnético del aire se añade un núcleo cilíndrico de material ferromagnético en ocasiones fijo y en otros solidarios con el conjunto móvil.
Figura 2.3 Instrumento de bobina móvil. Este incluye un índice generalmente en forma de aguja que se desplaza sobre la una escala graduada convenientemente y un resorte en forma de espiral o constituido por un alambre elástico actuando a torsión en los más sensibles. Es un instrumento con polaridad ya que las fuerzas dependen del sentido de intensidad en la espira de la bobina. Utilizando en corriente continua es instrumento se desplaza en el sentido correspondiente (normalmente sólo puede hacerlo en uno, aunque los hay de cero central) hasta igualar el par motor electrodinámico y el par antagonista del resorte en un proceso transitorio en el que se intervienen esfuerzos de inercia y de rozamiento viscoso. Los esfuerzos en juego (momentos de rotación) son:
Par electrodinámico Par de reposición del resorte Par de inercia
Par de rozamiento viscoso
MEd =D.a.Ne.B.i(t) =x.i(t) M rep =DH .
= .
.
= .
1.4- Instrumentos electromagnéticos o hierro móvil Es otro instrumento galvanométrico en el que la bobina es fija y cilíndrica en forma de carrete, similar a un solenoide, creándose en su interior un campo magnético
relativamente paralelo al eje que imanta de las misma forma, anteroposterior; y polaridad a dos piezas de material ferromagnético de gran permeabilidad y bajas fuerzas coercitiva para reducir lo más posible el efecto de remanencia. Ambas piezas se construyen de chapa delgada una de ellas es fija y solidaria con el carrete y la otra móvil y solidaria con el eje que contiene el índice o aguja.
Figura 2.5 instrumento de hierro móvil. En ambas piezas se establecen fuerzas magnéticas de repulsión sea cual sea el sentido del campo y por tanto de la intensidad estas fuerzas son proporcionales al cuadrado de la inducción y por tanto al cuadrado del valor instantáneo de la intensidad. Por las mismas razones que en el caso anterior en lo referente al comportamiento dinámico del conjunto móvil, el desplazamiento de esta será constante y dependiente del valor medio del cuadrado de la intensidad y consigue consiguientemente del valor eficaz. Esto hace que los instrumentos de hierro móvil sean especialmente adecuados para la medición de intensidades alternas, aunque también pueden ser utilizados para mediciones de corriente continua, si bien en este caso se puede dejar sentir el efecto de la remanencia. Los instrumentos electromagnéticos o de hierro móvil son sensibles e indica valores eficaces tanto de corrientes continuas como periodistas. Como las fuerzas de atracción o repulsión magnética son muy dependientes de la separación entre los elementos que está en juego, es práctica habitual que ambas láminas se construyen usando formas especiales de ancho variable y una ligera excentricidad entre ambas; con estas disposiciones constructivas se consiguió una cierta linealidad de la escala que, aun así presenta una elevada insensibilidad a los valores menores del alcance, de forma que la lectura efectiva suele comenzar a partir del 30% del alcance.
El flujo magnético se cierra en gran parte por el aire por lo que su sensibilidad es escasa consiguiéndose un valor raramente inferior a los 100 mili vatios a fin de escala. Por la misma causa, las ilusiones magnéticas en juego son bajas por los campos magnéticos externos pueden hacer sentir de forma apreciable añadiendo o restando, campo y por lo tanto fuerza motriz. La influencia de los campos magnéticos externos se hace sentir especialmente cuando la naturaleza de estos y la de la corriente de la bobina son homólogas, es decir, ambas continuas o ambas alternas igual frecuencia.
2.2 INSTRUMENTOS ELECTROMETRICOS Los instrumentos electrométricos son sensibles a la tensión o diferencia de potencial, y casi siempre el consumo de corriente es nulo o sino insignificantes. A este grupo pertenecen los instrumentos electrostáticos cuya funcionalidad procede de las de atracción o repulsión electrostática. Son delicados, ya que las fuerzas son del orden de microgramos. Es común encontrar a la entrada del acoplamiento del CMOS un apoyo electrónico y generalmente presentan una salida digital. Un instrumento ideal sería un equipo que presenta una impedancia de entrada infinita. Es posible medir corriente a través de la caída de tensión provocada al circular por la resistencia. IX= (GSH +GE) . UE-GSH.UE
(2.1)
Fig.2.6 Circuito de un instrumento ideal
En donde UE y GE (que como se ha dicho es muy pequeña y puede despreciarse) son los valores de la tensión y de la conductancia del instrumento y GSH el valor de la conductancia conectada en derivación para construir el conjunto amperímetro. Se pueden presentar dificultades debido a que los valores necesarios pueden ser elevados, por lo que se suele realizar utilizando una técnica de divisor de tensión.
Según la figura anterior la tensión de medir y la que alimenta al elemento electrométrico, en el supuesto de un consumo de intensidad nulo de este, cumple la relación siguiente: UX = UE. (1+ (R1/R2))
(2.)
Que presenta posibilidades de obtener prácticamente cualquier alcance que, por supuesto, sea superior al del instrumento.
Fig 2.7. Modelo división de tensión 2.2.1 Instrumentos Electrostáticos
Son los instrumentos originariamente electrométricos, antes eran llamados electrómetros, ya que actúan utilizando las fuerzas de atracción o repulsión electrostáticas de placas cargadas eléctricamente, por lo cual capturan energía eléctrica que transforma en energía potencial elástica. Como sólo consumen corriente en el proceso transitorio de carga y desplazamiento de las placas, están construidos por un conjunto de placas fijas, divididas en cuatro cuadrantes circulares conectados dos a dos, y una placa móvil, llamada aguja, en forma de pajarita y solitario con el eje que, como es habitual, está dotado de los correspondientes dispositivos de suspensión, reposición e indicación. Este último, el dispositivo de indicación, es comúnmente de tipo luminoso y espejo, para que sea más liviano el conjunto móvil, ya que son pequeñas las fuerzas que intervienen. La Representación del esquema.
Fig 2.8 Electrómetro de cuadrantes
La relación que proporciona la desviación es: = (V1 - V2)[2.V - (V1 - V2)]
2..3
En donde V1 y V2 son los potenciales de cada pareja de cuadrantes y V es el de la aguja, K es una constante propia del instrumento tiene en cuenta el área y separación de cuadrantes y aguja y la constante del resorte antagonista. La demostración es como se sigue: La energía electrostática total almacenada por el conjunto de dos cuadrantes contiguos y media aguja se puede estimar a través de las dos capacidades y las diferencias de potencial. Aquellas, las capacidades, serán proporcionales a los ángulos X e Y respectivamente, por lo que se puede escribir: W T= (K’/2).[x.(V2 -V)2 + y.(V1-V)2]
Fig 2.9 Instrumento de lectura o indicación
2.4
2.2 Instrumentos Electrónicos digitales
En el mundo de la tecnología actual hay centenares de instrumentos cuyo funcionamiento es electrónico. Nos referimos a aquellos instrumentos que nos dan una medida inmediata, estos se limitan a efectuar mediciones de tensión y con salida en forma digital; por eso haremos una pequeña descripción y mencionaremos un poco sobre el principio de operación de los temas digitales.
Fig 2.10 Instrumentos digitales
En estos instrumentos su operación se basa en los llamados conversores analógi codigital, los cuales, como indica su nombre convierten a cifras el valor de una tensión continua, en los instrumentos de lectura, el conversor también tiene un display que muestra la lectura al usuario del aparato. Uno de estos instrumentos que no es muy utilizado hoy en día, pero que por su sencillez puede ser fácilmente comprendido, es el llamado de simple rampa y se basa en el número de impulsos encontrados en el intervalo de tiempo, en que una tensión linealmente creciente tarde en alcanzar la tensión (analógica) que se desea medir: tanto los impulsos como la tensión de rampa se genera internamente con una frecuencia, se genera también na pendiente la cual es extremadam ente precisa. Si mayor es la tensión mayor es el número de impulsos que se computa y se exhiben en el visualizador.
Fig 2.11 .Conversor A/D de simple rampa
2.3
INSTRUMENTOS INTEGRADORES
Los instrumentos integradores son aquellos instrumentos capaces de registrar la cantidad de energía eléctrica y esto lo logran mediante la utilización de la integral. t 2
pdt t 1
Fig 2.12 Gráfica obtenida con la integral de la ecuación.
(2. )
Fig 2 .13 Sistema integrador y sistema motor.
En la Fig. 2.11 podemos ver gráficamente la potencia que se consume con respecto al tiempo y a su vez esta gráfica también se utiliza para factu rar a los consumidores. Los contadores de energía que son conocidos con el nombre de “medidor”, son instrumentos los cuales constan de un sistema motor y un sistema integrador como se ve en la figura Fig 2.12. En general existen tres tipos de instrumentos integradores.
Fluxómetros: Integra impulsos transitorios de voltaje. Culombímetros: (galvanómetro balístico), Integra impulsos transitorios de corriente. Contador de energía eléctrica: Integra impulsos transitorios y también señales continuas.
GALVANOMETRO BALISTICO
Las principales características de los galvanómetros balísticos son:
Tienen una bobina móvil: Que permite medir corriente continua y poseen una suspensión por hilo, que también sirve como antagonista. Son muy sensibles y por tanto de índice luminoso por reflexión de un haz en un espejo acoplado al conjunto móvil. El instrumento permite hacer mediciones positivas y negativas por eso tiene un cero central. Su parte móvil posee demasiadas oscilaciones motivo por el cual es difícil hacer medición de corrientes.
El instrumento nos indica un valor proporcional a la cantidad del impulso de la intensidad de corriente que lo recorre, ósea a la integral en el tiempo de dicho impulso que corresponde a la carga eléctrica. En la actualidad este tipo de instrumento ha sido reemplazado por otros modernos que pueden hacer su misma función, con mejor comodidad a pesar de las interferencias que puedan estar cerca de él. Se puede determinar la cantidad de carga de un condensador a partir de la corriente que proviene de una fuente de voltaje.
¿Cómo funciona el galvanómetro balístico?
Si analizamos como es la presencia de un campo magnético sobre un alambre conductor este experimenta una fuerza que está dado por la fórmula: F
IBLsen
(4. )
Fig 2.14 Esquema como se compone un galvanómetro balístico.
De figura podemos decir que: Al fluir corriente por las espiras de la bobina, los lados X e Y experimentan fuerzas magnéticas ocasionando giros en la bobina y que a su vez estiran a un resorte colocado para colocar nuevamente a la bobina a su posición original cuando ya no hay circulación de corriente. El estiramiento del resorte es proporcional a la fuerza y que a su vez también es proporcional a la corriente que circula por la bobina. El estiramiento hace que la aguja tenga desviaciones que nos indica en una escala a la lectura.
