GALVANÓMETRO
Instrumento utilizado para la detección o medición de corriente
El galvanómetro más antiguo se reducía al aparato de Oersted, que consiste en una aguja imanada, con libertad de movimiento en un eje perpendicular al eje de un conducto por el cual circula la corriente que se desea detectar. Cuando la intensidad de corriente es nula, la aguja se encuentra alineada con el conductor, y para corrientes no nulas la aguja se desvía un ángulo determinado, poniendo en evidencia la existencia de dicha corriente.
GALVANÓMETRO TIPO D’ARSONVAL:
Son galvanómetros de bobina de cuadro móvil respecto de un eje, e imán permanente fijo. Están constituidos por un imán en forma de herradura que establece un campo magnético. Éste campo se concentra sobre una bobina de cuadro debido a la presencia de un cilindro de hierro dulce. La bobina de cuadro posee unas 10 a 20 vueltas de hilo de cobre esmaltado arrollado sobre un marco rectangular, suspendida por una delgada cinta conductora que permite el paso de corriente hacia el cuadro, y proporciona el par recuperador cuando el cuadro se desvía de su posición de equilibrio. El otro borde de la bobina se conecta a una espiral floja que sirve como segundo conductor y ejerce un control despreciable sobre el cuadro Al circular corriente por la bobina de cuadro aparecen fuerzas sobre los lados verticales que generan un par. El cuadro gira en el sentido de este par sobre su eje hasta que el par recuperador igual al momento que aparece en la bobina de cuadro. El ángulo de desviación se puede observar con ayuda de un haz luminoso que se refleja sobre un pequeño espejo sujeto a la suspensión superior y sirve como aguja indicadora sin peso. El haz reflejado se hace incidir sobre una escala situada a una distancia determinada. Según sea la sensibilidad de aumento esta distancia puede ser desde algunos centímetros, a un metro. Este instrumento tiene alta sensibilidad pudiendo detectar corrientes de hasta 10- 10A. A causa de la forma de las piezas polares y del campo magnético, el ángulo de desviación de la bobina no es proporcional a la intensidad de corriente circular. Por esta razón este tipo de galvanómetro se usan sólo como detectores de pequeñas corrientes o como instrumento de cero, en dispositivos como el puente de Wheastone.
Como el sentido del par generado en la bobina de cuadro depende del sentido de circulación de corriente, este instrumento solo se emplea en corriente contínua.
EL GALVANÓMETRO DE CUADRO PIVOTADO
Básicamente es un galvanómetro tipo D’Arsonval, sólo que incorpora un par de modificaciones: La bobina de cuadro móvil en lugar de estar suspendida de un hilo fino, está montada en un eje que pivotado sobre soportes de piedra dura, como zafiro o ágata. Solidario a este eje dispone de una aguja que indica sobre una escala. Esto le da al instrumento mayor robustez y facilidad de transporte. Al imán permanente se le agregan unas expansiones polares que conforman un campo magnético prácticamente radial en el espacio por el cual se desplaza la bobina. Con esto se logra que las fuerzas sobre los laterales de la bobina sean siempre perpendiculares al plano de esta. Por lo tanto el ángulo de desviación es proporcional a la intensidad de corriente en la bobina. Este galvanómetro tiene mayor rozamiento mecánico que el de cuadro suspendido y por lo tanto menor sensibilidad. La intensidad mínima que pueden medir es del orden de 0,1 µA (10−7 A). Solamente se emplea en circuitos de continua.
GALVANÓMETRO DE IMÁN PERMANENTE MÓVIL
La bobina se dispone en la parte fija y se la puede dimensionar para manejar grandes corrientes. En un eje perpendicular al eje de la bobina se disponen un par de imanes permanentes fijos llamados imanes de control. En la parte móvil se monta un imán cilíndrico, imanado diametralmente; que se desplaza hasta alinear su campo magnético con el campo magnético resultante de la acción de la bobina de campo y los imanes de control. Cuando la corriente a través de la bobina es nula el imán cilíndrico se alinea con los imanes de control; mientras que con corrientes no nulas el imán cilíndrico se alinea con el eje del campo magnético resultante, que se compone del campo de control y el campo de la bobina. Son instrumentos de bajos costos y de poca exactitud y se utiliza en corriente continua. Se les emplea en tableros donde no se requiere gran exactitud.
GALVANÓMETRO DE HIERRO MÓVIL Y BOBINA FIJA
Es el instrumento más utilizado en los tableros debido a su bajo costo, robustez y aceptable exactitud. Se los emplean en circuitos de corriente continua y corriente alterna. Está formado por una bobina fija por la cual circula la corriente a medir. Esta genera un campo magnético que se concentra sobre una o más piezas móviles de hierro dulce ocasionando un efecto de atracción o repulsión entre ellas. Una aguja solidaria a la pieza móvil refleja el movimiento de ésta, deflexionando sobre una escala. Como la cupla eléctrica es proporcional al cuadrado de la intensidad, resulta una escala de tipo cuadrática.
A) INSTRUMENTO DE ATRACCIÓN
Está compuesto por una bobina, una pieza móvil de hierro dulce y bajo peso, solidaria a un eje al cual se le dispone en un extremo un espiral que ejerce el par recuperador, y por el otro extremo la aguja indicadora que se desplaza por la correspondiente escala. Al circular la corriente a medir se establece un campo magnético que alcanza a la pieza móvil, magnetizándola momentáneamente y cuya polaridad es tal que atrae a la misma hacía el interior de la bobina. Este movimiento se refleja en el eje y por ende en la aguja indicadora. Cuando la corriente que circula por la bobina es alterna el campo magnético generado también es alterno, es decir que en cada momento se produce una inversión de polaridad del mismo. Por ende la polaridad de la magnetización de la pieza móvil también será alterna y en cada instante ambas polaridades serán tales, que la pieza móvil siempre será atraída hacia la bobina. Por ello se pueden usar en corriente continua y Alterna.
B) INSTRUMENTO DE REPULSIÓN
Se dispone de una bobina cuya forma constructiva permite alojar en su interior un par de láminas de hierro dulce, una de ellas fije la y la otra unida a un eje que le permite un determinado movimiento. Al igual que en el instrumento anterior el eje poseen un extremo un resorte en espiral y por el otro extremo una aguja indicadora.
Cuando la corriente circula a través de la bobina se genera un campo magnético que magnetiza las láminas con la misma polaridad, generando una fuerza de rechazo entre ambas lo que posibilita el movimiento de la lámina móvil y la correspondiente deflexión de la aguja. Si la corriente es alterna, la polaridad de la magnetización en las láminas también alternará pero en cada instante ambas serán coincidentes y por lo tanto seguirán generando la fuerza de rechazo. Por lo tanto se pueden usar en corriente continua y corriente alterna.
Clasificación de los aparatos de medida
Los aparatos utilizados en las mediciones eléctricas podemos clasificarlos según los siguientes criterios: • Según la clase de corriente a medir • Según la magnitud eléctrica a medir • Según la forma de presentar la medida • Según la aplicación • Según el principio de funcionamiento
Según la clase de corriente a medir
Atendiendo a este criterio, los aparatos pueden ser: ∗ Aparatos para corriente continua ∗ Aparatos para corriente alterna ∗ Aparatos para corriente continua y alterna
Aparatos para corriente continua
Estos aparatos se utilizan para medir en corriente continua, siendo necesario que lleven marcado el borne positivo, para evitar que el dispositivo indicador intente desviarse en sentido contrario al correcto, con lo que se podría dañar el aparato.
Aparatos para corriente alterna
Debido a su sistema de medida se utilizarán exclusivamente en corriente alterna, no siendo necesario marcar los bornes.
Aparatos para corriente continua y alterna
Son los destinados a efectuar medidas tanto en corriente continua como en alterna. No es necesario que lleven marcado el borne positivo, pues debido al sistema de medida que utilizan, la desviación del índice siempre es en sentido correcto.
Según la forma de presentar la medida
Atendiendo a este criterio, los aparatos pueden ser: ∗ Indicadores ∗ Registradores ∗ Contadores
Aparatos de medida indicadores
Señalán el valor instantáneo, eficaz, medio o máximo, que en cada momento tiene la magnitud medida.
Aparatos de medida registradores
Registran el valor que va tomando en el tiempo la magnitud medida. Normalmente, son a la vez indicadores.
Aparatos de medida integradores
Calculan la integral en el tiempo de los valores a medir. En el caso de la potencia, cuya integral en el tiempo es la energía, estos aparatos se llaman contadores.
Según la aplicación
En función de la aplicación que se vaya a dar a los aparatos, se clasifican en: ∗ Aparatos de cuadro ∗ Aparatos portátiles ∗ Aparatos de laboratorio
Aparatos de cuadro
Los instrumentos de cuadro, están destinados para montaje fijo en una posición determinada. Se emplean fundamentalmente en cuadros de control y para cumplir con esta finalidad no necesitan ser muy precisos.
Aparatos portátiles
Son instrumentos que por el hecho de ser portátiles no pueden ser de gran precisión. Se destinan a realizar mediciones esporádicas en distintos puntos de circuitos eléctricos. Son fáciles de transportar y sus bornes están dispuestos para realizar una conexión rápida y cómoda. Se montan generalmente en cajas de material aislante.
Aparatos de laboratorio
Estos aparatos son de alto grado de precisión. Se utilizan para realizar medidas que requieren gran exactitud y para verificación de otros aparatos de medida. Suelen ir provistos de dispositivos que reducen los errores en el momento de realizar las lecturas, tales como espejo adosado a la escala o indicadores de haz luminoso.
Según el principio de funcionamiento
Todos los elementos de medida tienen unos elementos fijos y uno móvil rotatorio entre los cuales se manifiesta un par que hace girar el elemento móvil, cuyo ángulo de giro depende de la magnitud que se mide. Solidario con el elemento móvil se tiene una aguja cuyo índice se mueve delante de una escala sobre la que se efectúa la lectura.
En todos los aparatos, el par que solicita el órgano móvil, par motor, es equilibrado por otro par antagonista, par resistente, que se manifiesta con el giro del órgano móvil y crece con el ángulo de giro. Este par puede ser debido a la deformación de un muelle, al desplazamiento de un peso, a la torsión de un hilo de suspensión, etc. El par motor depende del principio de funcionamiento del aparato de medida y así, tendremos: ∗ Aparatos térmicos ∗ Aparatos de hierro móvil ∗ Aparatos de cuadro móvil ∗ Aparatos de imán móvil ∗ Aparatos de inducción ∗ Aparatos electrostáticos ∗ Aparatos electrónicos digitales
Aparatos térmicos
Pueden ser utilizados con corriente continua y con alterna. Dado que su sistema sensitivo tiene siempre un sobrecalentamiento, sólo admiten limitadas sobrecargas y de breve duración. Pueden ser de dos tipos:
De par termoeléctrico
– La bobina móvil de un milivoltímetro de imán permanente es alimentada por la f.E.M. Originada por la diferencia de temperatura en la soldadura de dos metales de distinta naturaleza al calentarse por el paso de una corriente eléctrica. Se utilizan para circuitos de alta y muy alta frecuencia.
Bimetálico
– Una lámina arrollada en espiral constituida por dos metales de distinta naturaleza soldados íntimamente, calentada por el paso de la corriente a medir, da origen a un giro de la espiral debido al distinto coeficiente de dilatación de los dos metales que forman la bilámina.
Aparatos electromagnéticos o de hierro móvil
En estos aparatos, el campo magnético de una bobina fija excitada por una corriente, imanta dos láminas de hierro dulce, una fija y otra móvil, que al repelerse dan lugar al par motor. Sobre la lámina móvil va montada la aguja que da la lectura del aparato. El par motor es función del cuadrado de la corriente que circula por la bobina, por la que la inversión del sentido de la corriente no implica cambio de sentido del par, siendo apropiado para medidas en corriente continua y alterna, siendo preferible para alterna, puesto que para continua hay problemas de histéresis. El par antagonista está dado por un muelle espiral. Por su simplicidad y robustez constructiva y su bajo precio son los utilizados en aplicaciones industriales.
Aparatos magnetoeléctricos o de imán permanente
El par está determinado por la acción de un campo magnético creado por un imán permanente sobre una bobina recorrida por una corriente. Se denomina de bobina móvil, si el imán es fijo y si no de imán móvil. Admitiendo que la inducción en el entrehierro en el que se mueve la bobina es constante, el par motor es proporcional a la corriente, de donde resulta que el ángulo de giro del elemento móvil es proporcional a la corriente que pasa por la bobina. El valor relativamente elevado de la inducción en el entrehierro hace que sean bastante sensibles a los campos magnéticos exteriores. Su campo de medida esta limitado a unos 20-30 mA, impuesto por el hilo de suspensión de la bobina que actúa a la vez como conductor de la corriente de la bobina y como resorte antagonista. Conectando en paralelo con la bobina una resistencia calibrada, a través de la cual se deriva la mayor parte de la corriente, se pueden medir corrientes más elevadas. Aún cuando solo pueden funcionar con corriente unidireccional, utilizando rectificadores de tamaño reducido y fiables, pueden utilizarse con corriente alterna, previamente rectificada, obteniéndose el valor eficaz de la misma. Dada la proporcionalidad entre desviación y corriente, la escala de estos aparatos es uniforme desde el principio hasta el final.
Aparatos electrodinámicos
El par viene determinado por los esfuerzos electrodinámicos entre dos bobinas coaxiales una fija y otra móvil montada sobre un eje equilibrado que arrastra a la aguja indicadora. Es utilizado para medición de tensión, intensidad y potencia en instrumentos patrones y de alta precisión. Su mayor coste hace que no se utilicen en usos industriales.
Aparatos de inducción
Se utiliza el principio de inducción por lo que solo son apropiados para magnitudes alternas. Su principal aplicación es como contadores eléctricos. El par motor está determinado por un campo magnético giratorio excitado por una bobina fija que actúa sobre una corriente inducida por el propio campo magnético en un disco tambor de aluminio o cobre sobre cuyo eje de giro está montada la aguja.
Aparatos electrostáticos
Están basados en las fuerzas atractivas entre cargas eléctricas opuestas. Solo se utilizan en laboratorios y salas de ensayo de alta tensión. Constan de una placa fija y otra móvil retenida por un muelle antagonista, constituyendo un condensador.
Aparatos electrónicos digitales
Son instrumentos estáticos formados por circuitos complejos que comprenden uno o varios convertidores analógicosdigitales. Tienen una gran precisión, del orden del ± 0,003%.
Simbología de los aparatos de medida
Los aparatos de medida llevan en la esfera o en una de las caras exteriores de la caja, las indicaciones necesarias para informar sobre sus carácterísticas. Dichas indicaciones se reflejan mediante símbolos e inscripciones.
Seguridad
En la tabla adjunta se pueden ver las tensiones de prueba de los aparatos de medida y que afectan a la seguridad en la manipulación de los mismos, según simbología UNE. Los fallos de aislamiento pueden provocar una diferencia de potencial entre la caja del instrumento y sus partes metálicas con tierra. Los aparatos se someten a una tensión aplicada entre sus partes activas y la caja, que depende de la tensión nominal.
Clase de precisión
Se simboliza mediante un número que indica el error porcentual que comete el aparato. La precisión se caracteriza por el error reducido, que es el cociente, expresado en tanto por ciento, entre el error absoluto del instrumento y el valor máximo que puede medirse con el aparato (alcance). El error reducido se utiliza para agrupar los instrumentos de medida en clases de precisión. Existen siete clases de precisión: 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 – 1,5 – 2,5 – 5
Un instrumento con clase 1 tiene un error de un 1% sobre su fondo de escala.
Aparatos básicos de medida
Medida de corrientes eléctricas. Amperímetros
Es un aparato fundamental del que se derivan la mayor parte de instrumentos de medida industriales. Se conecta en serie con el circuito cuya corriente se quiere medir, de esta forma, la resistencia interna del aparato deberá ser muy pequeña, por dos razones:
• Para que la caída de tensión en la resistencia sea despreciable, frente a la que actúa sobre el circuito y no altere sensiblemente la corriente del mismo. • Para minimizar la potencia disipada en él por efecto Joule. Los más económicos y más usados son los electromagnéticos para c.A. Y los magnetoeléctricos de bobina móvil para c.C.
Medida de tensión. Voltímetros
La medida de tensión se realiza conectando el aparato en paralelo. Esencialmente, un voltímetro no es más que un miliamperímetro de elevada resistencia interna, utilizándose los de bobina móvil y, sobre todo los de hierro móvil. Realmente, se mide la corriente que circula por el elemento móvil del aparato, con lo que si V es la tensión conectada al voltímetro, r la resistencia interna y Rv la resistencia adicional conectada en serie, la intensidad será: i = V / r + Rv. Admitiendo que las resistencias son constantes, la intensidad resulta proporcional a la tensión y, graduando convenientemente la escala, se leen directamente voltios. La modificación de Rv permite variar el alcance de medida del aparato.
Medida de la potencia activa. Vatímetros
La medida de la potencia activa se realiza mediante vatímetros que pueden ser del tipo electrodinámico, aptos para c.A. Y c.C. O de inducción, solo válidos para c.A. Normalmente se usa el electrodinámico mediante de la conexión de la bobina fija en serie con el circuito, es decir recorrida por la intensidad de este, y la bobina móvil en paralelo con el circuito y, por tanto, recorrida por la intensidad proporcional a la tensión. Se debe conectar el circuito voltimétrico delante del amperométrico. Un vatímetro de c.C. Mide el producto de la tensión por la corriente, en ambas magnitudes hay que tener en cuenta la polaridad de las bobinas. En el caso de c.A. Es necesario que la corriente esté en fase con la tensión, es decir, el circuito vatimétrico debe ser rigurosamente resistivo para que el par motor del instrumento sea proporcional a la potencia activa.
Medida de la potencia reactiva. Varímetros
La medida de la potencia reactiva se realiza mediante aparatos del tipo electrodinámico o de inducción, siendo la condición que la corriente que circula por la bobina voltimétrica esté desfasada exactamente π/2 respecto de la tensión aplicada al circuito.
Tenaza voltamperométrica
Se utiliza generalmente en circuitos de corriente alterna de baja tensión para medir esencialmente la intensidad de corriente que circula por un conductor, sin necesidad de interrumpir el circuito. El aparato tiene la forma de una pinza que constituye el núcleo magnético de un transformador de intensidad. Sobre el está montado el secundario del transformador a la pinza formando un solo conjunto. El primario del transformador de intensidad lo constituye el propio conductor cuya intensidad se desea medir. La uso de la pinza voltamperométrica como voltímetro se efectúa conectando a unas bornes, que al efecto lleva la pinza, unos conductores flexibles en derivación con el circuito a medir.
Polímetro
Son aparatos de medida con los que se pueden realizar la medición de varias magnitudes eléctricas, tanto en circuitos de c.C., como de c.A. Se utilizan de indicación analógica y digital. Para realizar la medición de una determinada magnitud, hay que seleccionar previamente: 1. Clase de corriente (continua o alterna). 2. Magnitud (intensidad, tensión, resistencia). 3. Calibre.
Transformadores de medida
La conexión directa de un instrumento de medida para medir la intensidad o la tensión de un circuito, muchas veces no es factible. Unas veces porque los valores exceden el campo de medida del aparato, y otras, porque sería muy caro aislar los aparatos de medida en los circuitos de alta tensión, además de por razones de seguridad. La utilización de los transformadores de medida se basa en la posibilidad de obtener una magnitud secundaria de módulo proporcional al de la del primario y de la misma fase.
Transformadores de tensión
Constan de dos devanados cuya relación de tensión viene dada por la AT a medir y, normalmente, el valor de 110 V que se aplica al instrumento de medida. Están diseñados de forma que la resistencia y la reactancia de dispersión son muy pequeñas, siendo así la relación de tensiones prácticamente igual a la relación de espiras. Su funcionamiento es prácticamente en vacío debido a que la impedancia del voltímetro colocado en el secundario es elevada. Normalmente e secundario se conecta a tierra para seguridad del personal y de la instalación.
Transformadores de intensidad
Tiene dos devanados, conectando el primario en serie con el circuito principal y el secundario a un amperímetro, cuya impedancia es muy pequeña y, por tanto, su funcionamiento es prácticamente en cortocircuito. La tensión en el secundario con el amperímetro conectado, es muy pequeña, pero si se desconectase el amperímetro, la intensidad por el secundario pasaría a ser cero y la tensión aumentaría mucho, ya que la intensidad por el primario seguiría siendo la misma. Esta tensión elevada del secundario, sería peligrosa para el personal y para el propio transformador, por lo que siempre deberá evitarse dejar en circuito abierto un transformador de intensidad. Si hubiese que retirar el aparato de medida, sería necesario poner previamente en cortocircuito los extremos del secundario. Los transformadores de intensidad tienen en su devanado primario muy pocas vueltas, e incluso pueden llegar a tener solo una.
Contadores de energía eléctrica
Existen diversos tipos de contadores, pero el más utilizado es el contador de inducción. Está basado en el efecto de inducción, formado por una bobina voltimétrica y una amperométrica, que actúa sobre un disco de aluminio produciendo un campo giratorio que mueve el disco. La bobina de tensión crea un campo magnético permanente al estar conectada en todo momento a la red, lo que induce en el disco una f.E.M. Al ser el flujo variable. Esta f.E.M. Inducida en el disco crea unas corrientes parasitarias al estar cerrado y, a su vez, dichas corrientes crean un campo magnético.
Maxímetros
Es un aparato de medida encargado de contabilizar la máxima potencia demandada durante un periodo. Durante 15 minutos, la aguja está en tensión y vuelve a cero por la acción de un resorte que es mandado por el reloj del equipo de medida. En la escala graduada existe otra aguja testigo que es arrastrada por la aguja de arrastre, denominada aguja lectora. Cada 15 minutos, la aguja de arrastre marca la potencia media demandada en ese periodo. En los siguientes 15 minutos, si la potencia es igual o menor, no se moverá la aguja de lectura; si es mayor, arrastrará la aguja testigo hasta el máximo.