4. principio de funcionamiento de los instrumentos de medida

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Práctica Nº 4Emitido por:

UMSA

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Documento: G-ELT258-4

PRÁCTICA Nº 4

PRINCIPIO DE

FUNCIONAMIENTO DE

LOS INSTRUMENTOS

La Paz – BoliviaPreparado por: José L. Díaz-Romero Revisado por: José L. Díaz-Romero Aprobado por: José L. Díaz-Romero

Fecha: 2008-06-06 Fecha: 2008-06-06 Fecha: 2008-06-06



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ÍNDICE

ÍNDICE..................................................................................................................................1

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA...................3

PARTE TEÓRICA.................................................................................................................3

1. CONCEPTOS GENERALES SOBRE LOS APARATOS DE MEDIDA EMPLEADOS EN

LAS SUBESTACIONES DE TRANSFORMACIÓN Y DE DISTRIBUCIÓN...........................3

2. CLASIFICACIÓN...............................................................................................................4

2.1. DE ACUERDO AL ARREGLO EN SU EXACTITUD......................................................4

2.2. DE ACUERDO A SU SISTEMA DE MEDIDA................................................................5

2.2.1. SISTEMA DE MEDIDA DE BOBINA MÓVIL O DE BOBINA GIRATORIA..................5

2.2.2. SISTEMA DE MEDIDA DE HIERRO MÓVIL O DE HIERRO GIRATORIO.................6

2.2.3. SISTEMA DE MEDIDA ELECTRODINÁMICO............................................................7

2.2.4. SISTEMA DE MEDIDA DE INDUCCIÓN....................................................................8

2.2.5. SISTEMA DE MEDIDA TÉRMICO O BIMETÁLICO...................................................8

2.2.6. SISTEMA DE MEDIDA ELECTROSTÁTICO..............................................................9

2.2.7. SISTEMA DE MEDIDA DE VIBRACIÓN...................................................................10

2.2.8. SISTEMA DE MEDIDA DE COCIENTES..................................................................10

2.2.9. SISTEMA DE MEDIDA DIFERENCIAL O ESTÁTICO..............................................10

2.2.10. SISTEMA DE MEDIDA APANTALLADO O BLINDADO.........................................11

2.2.11. SISTEMA DE MEDIDA CON RECTIFICADOR.......................................................11

Preparado por: José L. Díaz-Romero Revisado por: José L. Díaz-Romero Aprobado por: José L. Díaz-Romero




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2.2.12. SISTEMA DE MEDIDA CON PAR TERMOELÉCTRICO INCORPORADO............11

2.2.13. SISTEMA DE MEDIDA ELECTRÓNICO.................................................................11

2.3. DE ACUERDO CON SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO...................................11

2.3.1. INSTRUMENTOS ELECTROMAGNÉTICOS...........................................................12

2.3.1.1. INSTRUMENTOS DE IMÁN PERMANENTE Y BOBINA MÓVIL...........................12

2.3.1.2. GALVANÓMETRO D’ARSONVAL DE BOBINA MÓVIL........................................13

2.3.1.3. INSTRUMENTOS DE HIERRO MÓVIL.................................................................14

2.3.1.4. ESQUEMAS CONSTRUCTIVOS...........................................................................16

2.3.1.5. INSTRUMENTO THOMSON DE BOBINA INCLINADA.........................................17

2.3.1.6. INSTRUMENTO DE ASPA RADIAL......................................................................17

2.3.1.7. INSTRUMENTO DE ASPAS SEMICILÍNDRICAS.................................................18

2.3.2. INSTRUMENTOS ELECTRODINÁMICOS...............................................................19

2.3.2.1. INSTRUMENTOS ELECTRODINÁMICOS CON HIERRO....................................22

2.4. INSTRUMENTOS ELECTROSTÁTICOS.....................................................................22

2.5. INSTRUMENTOS TÉRMICOS....................................................................................23

2.5.1. INSTRUMENTOS TÉRMICOS DE HILO..................................................................23

2.5.2. INSTRUMENTOS DE TERMOCUPLA......................................................................24

1. OBJETIVOS....................................................................................................................25

2. MATERIAL......................................................................................................................25

3. PROCEDIMIENTO..........................................................................................................28





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4. CUESTIONARIO.............................................................................................................33





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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

PARTE TEÓRICA

1.CONCEPTOS GENERALES SOBRE LOS APARATOS DE MEDIDA

EMPLEADOS EN LAS SUBESTACIONES DE TRANSFORMACIÓN Y DE

DISTRIBUCIÓN.

En una subestación se deben conocer las siguientes magnitudes eléctricas:

Intensidad de corriente que circula por las líneas de distribución y de mando.

Tensiones de servicio en las diferentes partes de la instalación.

Frecuencias de servicio.

Factor de potencia a que trabajan los diferentes circuitos.

Potencia recibida de las centrales o de otras estaciones, y potencia distribuida a las

diferentes líneas.

Energía eléctrica recibida y energía eléctrica distribuida.

Para realizar estas mediciones, se precisan diversos aparatos de medida, divididos en tres

grandes grupos:

Aparatos indicadores, en los que una aguja señala, sobre una escala apropiada, la

magnitud eléctrica a medir.

Aparatos registradores, en los que se anota gráficamente el curso temporal de la





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magnitud eléctrica correspondiente.

Aparatos totalizadores, que indican la energía suministrada durante cierto tiempo.

2.CLASIFICACIÓN

2.1.DE ACU ERDO AL ARREGLO EN SU EXACTITUD

Los aparatos de medida se clasifican en siete clases, cuyas características se expresan en

la siguiente tabla:

Tabla 1

CLASES 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5

Errores de indicación(diferencia entre el valor indicado y el correcto, de la magnitud en condiciones normales)

± 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5

En % del valor final del campo de medida en instrumentos con cero mecánico.En % de la longitud de la escala en instrumentos sin cero mecánico o instrumentos de escala de gran deslinealidad.En % del valor correcto en frecuencímetros de lengüeta.

Efectos dentro de los márgenes de Influencia.

Influencia de la posición(al inclinar el instrumento en 5°, en casos muy particulares en 1° o 15° con relación a la posición nominal)

± 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5 En % de la longitud de la escala

Influencia de la temperatura(en diferencias de la temperatura ambiente de ± 10 grados con r especto a la temperatura nominal. De no indicarse otra cosa, ésta es 20° C)

± 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5

En % de la misma magnitud a la que se refiere el error de indicación. En instrumentos para magnitudes no eléctricas son admisibles valores más altos, pero hay que indicarlos especialmente.

Influencia de la tensión(cambio de indicación al existir diferencia con la tensión nominal dentro del margen de influencia)

± 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5

En % de la indicación en tensión nominal, para vatímetros así como para instrumentos sin fuerza direccional mecánica.

Influencia de calentamiento(diferencia de las indicaciones después de 10 y 60 minutos en servicio con el 80% del valor final del campo de medida)

- - - 0.5 0.75 1.25 2.5En % de la misma magnitud a la que se refiere el error de indicación.





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Influencia de la frecuencia(cambio de indicación debido a variación de la frecuencia dentro del margen de influencia)

± 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 5En % de la misma magnitud a la que se refiere el error de indicación.

Influencia de campos extraños(variación de la indicación por un campo extraño homogéneo de 400 A/m = 5 Oe)En instrumentos estáticos y blindadosEn instrumentos de bobina móvil no blindadosEn los demás instrumentos

± 0.75

± 2.5

± 3

0.75

1.5

3

0.75

1.5

3

0.75

1.5

3

0.75

1.5

6

0.75

1.5

6

0.75

1.5

6

En % de la misma magnitud a la que se refiere el error de indicación

Los aparatos de medida de la tabla anterior, tienen las aplicaciones que se indican a

continuación:

Instrumentos de precisión. Clases 0.1; 0.2; 0.5

Instrumentos industriales. Clases 1; 1.5; 2.5; 5

Las inscripciones de las escalas de los aparatos de medida dan a conocer su

característica. Además de la marca de origen y unidad de la magnitud a medir (por

ejemplo, mV, A, kVAr, etc), está también incluido el símbolo de la clase del sistema de

medida, el símbolo de la clase de corriente y otros datos referentes a condiciones

normales y accesorios.

2.2.DE ACUERDO A SU SISTEMA DE MEDIDA.

Las distintas clases de sistemas de medida se diferencian por su estructura y modo de

funcionamiento; éstos se basan en el efecto electromagnético, electrodinámico,

electrotérmico o electrostático. A continuación, se resumen las características

constructivas de las clases más usuales:





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2.2.1.SISTEMA DE MEDIDA DE BOBINA MÓVIL O DE BOBINA

GIRATORIA

Constan de un imán permanente fijo y una o varias bobinas giratorias que son desviadas

por efecto electromagnético durante el paso de la corriente (figura 1). Sólo se utilizan para

corriente continua. Aplicación: amperímetro, voltímetro, ohmiómetro.

Figura 1. Elementos esenciales de un sistema de medida de bobina móvil

2.2.2.SISTEMA DE MEDIDA DE HIERRO MÓVIL O DE HIERRO

GIRATORIO

Está constituido por uno o varios órganos giratorios de hierro, en el interior de una bobina

de campo fija y que son desviados por efectos electromagnéticos al pasar la corriente por

la bobina (figura 2). Se utilizan para corriente continua y alterna. Aplicaciones:

amperímetro, voltímetro.





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Figura 2. Elementos esenciales de un sistema de medida de hierro móvil.

2.2.3.SISTEMA DE MEDIDA ELECTRODINÁMICO.

Consta de una o más bobinas fijas con núcleo de aire, y una o más bobinas giratorias, que

son desviadas por efecto electrodinámico, al pasar la corriente por las bobinas fijas (figura

3). Una variante de éste es el sistema de medida ferrodinámico, en el que el campo

magnético se halla principalmente en el hierro (figura 4). Se utilizan para corriente continua

y alterna. Aplicaciones: vatímetro.





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Figura 3. Elementos esenciales de un sistema de medida electrodinámico.

Figura 4. Elementos esenciales de un sistema de medida ferrodinámico.

2.2.4.SISTEMA DE MEDIDA DE INDUCCIÓN.

Consta de bobinas fijas, por las cuales circula la corriente y conductores móviles en forma

de tambor o de disco que son derivados por corrientes inductivas electromagnéticamente

(figura 5). Solamente puede utilizarse para corriente alterna.

Aplicaciones: preferentemente como contador de inducción.





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Figura 5. Elementos esenciales de sistema de medida de inducción.

2.2.5.SISTEMA DE MEDIDA TÉRMICO O BIMETÁLICO.

Consta, esencialmente, de un órgano bimetálico, que es calentado por la corriente a

medir. La deformación que experimenta dicho órgano, se aprovecha para la medición

(figura 6). Se pueden utilizar para corriente continua y para corriente alterna. Aplicaciones;

preferentemente como amperímetro.

Figura 6. Elementos esenciales de un sistema de medida térmico.

2.2.6.SISTEMA DE MEDIDA ELECTROSTÁTICO.

Consta de electrodos fijos y uno o más contraelectrodos móviles que, al aplicar la tensión

son desviados electrostáticamente (figura 7). Pueden utilizarse para corriente continua y

para corriente alterna. Aplicaciones: como voltímetro.





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Figura 7. Elementos esenciales de un sistema de medida electrostático.

2.2.7.SISTEMA DE MEDIDA DE VIBRACIÓN.

Tiene órganos vibratorios que, por efecto electromagnético o en otros casos,

electrostático, producen vibraciones de resonancia (figura 8). Solamente pueden utilizarse

con corriente alterna. Aplicaciones: preferentemente, como frecuencímetro.

Figura 8. Elementos esenciales de un sistema de medida de vibración.





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2.2.8.SISTEMA DE MEDIDA DE COCIENTES.

Consta de dos vías de corriente o de tensión, permitiendo obtener la relación entre dos

magnitudes eléctricas. Para corriente continua y corriente alterna. Aplicaciones: como

ohmiómetro y como fasímetro.

2.2.9.SISTEMA DE MEDIDA DIFERENCIAL O ESTÁTICO.

Está constituido por dos mitades que actúan en el mismo sentido, pero por las que la

corriente pasa en sentido opuesto, con objeto de compensar la influencia de campos

magnéticos exteriores. Utilizables para corriente continua y para corriente alterna.

Aplicaciones: prácticamente, sólo para vatímetros electrodinámicos.

2.2.10.SISTEMA DE MEDIDA APANTALLADO O BLINDADO.

Cualquiera de los sistemas de medida citados puede estar blindado, es decir, dotado de

una pantalla contra la influencia de campos magnéticos o eléctricos.

2.2.11.SISTEMA DE MEDIDA CON RECTIFICADOR.

Consta de un sistema de medida de bobina móvil al que se ha añadido un dispositivo

rectificador para la rectificación de la corriente alterna que se ha de medir. Utilizable

solamente para corriente alterna. Aplicación: como amperímetro y como voltímetro.

2.2.12.SISTEMA DE MEDIDA CON PAR TERMOELÉCTRICO

INCORPORADO.

No debe confundirse con el sistema de medida térmico, citado anteriormente. Esta vez, se

trata de un sistema de bobina móvil al que se ha incorporado un par termoeléctrico para





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convertir la corriente alterna a medir en corriente continua. Puede utilizarse para corriente

continua y para corriente alterna. Aplicaciones: como amperímetro y como voltímetro,

incluso en medidas para alta frecuencia.

2.2.13.SISTEMA DE MEDIDA ELECTRÓNICO.

Este esta conformado por dispositivos electrónicos que conforman un circuito contador.

2.3.DE ACUERDO CON SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los instrumentos eléctricos para la medición de corriente y diferencia de potencial se

pueden clasificar en:

2.3.1.INSTRUMENTOS ELECTROMAGNÉTICOS.

En los que el movimiento de la aguja se produce por la acción de una fuerza actuante

sobre una sustancia magnética o sobre un conductor recorrido por corriente, en un campo

magnético.

A su vez, los instrumentos electromagnéticos se pueden dividir según su mecanismo, en:

1. Imán permanente y bobina móvil.

2. Imán móvil y bobina fija.

3. Hierro móvil y bobina fija.

4. Bobina móvil y bobina fija (electrodinámicos)

5. Inducción.





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De estos, los del tipo 1 se pueden usar solamente para medidas en corriente continua,

mientras que los del tipo 5 sólo para corriente alterna. Los otros tipos pueden ser usados

con ambas.

2.3.1.1.INSTRUMENTOS DE IMÁN PERMANENTE Y BOBINA MÓVIL .

Son llamados comúnmente "de bobina móvil" o "tipo D'Arsonval", y son los más usados

para medir corriente continua. Se basan en la acción motriz ejercida por el campo de un

imán permanente sobre una bobina recorrida por una corriente continua.

2.3.1.2.GALVANÓMETRO D’ARSONVAL DE BOBINA MÓVIL

Funciona con base en el efecto electromagnético . En su forma más sencilla, el

instrumento de bobina móvil consta de una bobina de alambre muy fino devanado sobre

marco de aluminio ligero. Un imán permanente rodea a la bobina y el marco de aluminio

está montado sobre pivotes que posibilitan que gire libremente, junto con la bobina, entre

los polos de imán permanente.





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Cuando hay corriente en la bobina, ésta se magnetiza y su polaridad es tal que el campo

del imán permanente la repele. Esto hace que el marco de la bobina gire sobre el pivote y

cuánto lo haga depende de la cantidad de corriente que circule por la bobina; así al

calibrar la aguja sobre el marco de la bobina y referirla a una escala calibrada en unidades

de corriente, puede medirse la cantidad de corriente que circula a través del instrumento.

2.3.1.3.INSTRUMENTOS DE HIERRO MÓVIL

Forman la categoría más difundida de amperímetros y voltímetros, especialmente como

instrumentos de tablero.

Se basan en la acción que una bobina fija y recorrida por corriente ejerce sobre un

pequeño trozo de hierro dispuesto en su campo.

La energía almacenada en la bobina es:

(joule)





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Y si el instrumento es tal que la inductancia L es independiente de la corriente i, la cupla

motora ( variación de la energía en un desplazamiento ) será:

Que es equilibrada por la cupla elástica del resorte solidario al eje del hierro móvil:

Este tipo de instrumentos mide el valor eficaz de la corriente. En efecto, si se aplica una

corriente alterna:

Será:

Y si la frecuencia excitadora es mucho mayor que la frecuencia natural del sistema móvil (

), el instrumento no responderá a la excitación del segundo término de Cm (de

frecuencia doble de la excitadora ), la cupla motora resultará :





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O sea que el instrumento medirá el valor eficaz I de la corriente alternada.

Si la inductancia varía linealmente con la desviación, se obtendrá una escala cuadrática.

Esta escala, del tipo ampliado, limita el margen de la corriente en el que puede ser

utilizado el instrumento, con un error de lectura muy grande para valores bajos. Por ello es

que se trata de compensar la desuniformidad de la escala mediante algún artificio. Si se

quisiera una escala lineal el factor deberá ser proporcional a:

Lo que indica que la uniformidad de la escala requiere un brusco aumento de L en su

primera parte, y un aumento más suave en la parte final. Esta condición se puede obtener

aproximadamente por un diseño adecuado (salvo en las proximidades del cero, en una

zona de aproximadamente el 10 % del desarrollo total de la escala).

Estos instrumentos por sus características constructivas, son capaces de medir corriente

alterna, dando como lectura el valor eficaz de la misma, o bien pueden medir corriente

continua, ya que con este tipo de corriente, también se crea en la bobina, el campo

magnético necesario para mover las aspas de hierro.

2.3.1.4.ESQUEMAS CONSTRUCTIVOS

En forma general estos instrumentos se componen de un bobinado sobre chapas de un

material ferromagnético, el cual está fijo. Al circular la corriente a ser medida, origina un

campo magnético al interior de la bobina.

En el núcleo de la bobina, se dispone de placas de hierro dulce, las cuales se moverán al

efecto del campo magnético inducido y rotarán ya sea por acciones de atracción, repulsión





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o ambas. Las mismas moverán el indicador de aguja y el valor de la corriente podrá ser

apreciado en una escala adecuadamente distribuida.

La forma de distribución de las placas puede darse de diversas formas:

2.3.1.5.INSTRUMENTO THOMSON DE BOBINA INCLINADA

Como se puede observar, el torque motriz se crea por el alineamiento de la placa circular

con el campo magnético de la bobina. La inductancia para la posición mostrada en (a) es

mínima y la mostrada para (b) es máxima. De ahí que la función dL/d sea

aproximadamente senoidal.





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2.3.1.6.INSTRUMENTO DE ASPA RADIAL

(a) Bobina en forma de sector (b) Bobina en forma circular

Funcionan por repulsión entre las placas y atracción de la bobina a la placa móvil.

También la bobina puede ser totalmente circular, en este caso el origen del torque, es

totalmente por repulsión, si se añade un hierro móvil del cual es solidaria la aspa fija, se

consigue distribuciones muy uniformes en la escala de 90 grados.

2.3.1.7.INSTRUMENTO DE ASPAS SEMICILÍNDRICAS





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Actúan por atracción y repulsión combinadas, la disposición de las aspas semicilíndricas

permiten lecturas adecuadas en escala larga, ya que el torque se obtiene en casi la

totalidad de la periferia de la bobina.

Como estos instrumentos miden corriente alterna, requieren un sistema de

amortiguamiento que puede ser de carácter magnético o neumático.

El amortiguamiento magnético se obtiene

por la acción del imán multipolar

(mostrado en la figura), sobre el aspa de

aluminio, generándose una f. e. m. y una

corriente en ésta, la cual induce una

fuerza y un par resultante que se oponen

al movimiento.

El amortiguamiento neumático se realiza

mediante un aspa delgada de aluminio, la

cual debe moverse al interior de una

cavidad en forma de sector, al moverse

esta, crea una diferencia de presiones

entre las caras del aspa, esta diferencia

de presiones se compensa al fluir aire

deslizándose por sus bordes, el cual cesa

cuando el aspa deja de moverse.





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2.3.2.INSTRUMENTOS ELECTRODINÁMICOS

Se basan en la acción que ejercen entre sí dos circuitos, uno fijo y otro móvil, recorridos

por corrientes distintas. A estos instrumentos, se los puede considerar como derivados de

los de imán permanente y bobina móvil, sustituyendo el campo radial y constante en

magnitud de éstos por un campo aproximadamente paralelo y de desigual intensidad en el

espacio, creado por una o dos bobinas fijas (conectadas en serie).

Considerando la energía total del sistema formado por la bobina fija y a la bobina móvil;

Siendo:

y : inductancias de las bobinas fija y móvil, respectivamente.

e : corrientes en las bobinas fija y móvil.

M: inductancia mutua entre las bobinas fija y móvil.

Y como para una desviación elemental los valores de y , no varían la cupla

motora resulta:

Cuyo sentido depende del sentido relativo de las dos corrientes.

Esta cupla motora será equilibrada por el par de resortes montados sobre el eje del

sistema móvil (resortes que al mismo tiempo conducen la corriente a la bobina móvil):

De donde:





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Para instrumentos de una sola bobina fija se puede obtener, con un correcto

dimensionamiento, que en la zona donde gira la bobina móvil el campo resulte de

intensidad sensiblemente uniforme, y de dirección aproximadamente radial, con lo cual (

) no será constante, salvo en la zona central.

Por lo que la cupla motriz tendrá dos componentes: una constante y otra de frecuencia

doble de la aplicada.

Esta frecuencia es mucho mayor que la frecuencia natural del sistema móvil, por lo que no

producirá una desviación apreciable de la aguja del instrumento.



Si las bobinas están recorridas por

corrientes alternadas y , de

igual frecuencia, estas en general

no estarán en fase:



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Siendo y los valores eficaces de las corrientes que circulan por las bobinas móvil y

fija.

Los instrumentos electrodinámicos tienen una sensibilidad mucho menor que los

instrumentos de bobina móvil o imán permanente. La razón de esto es evidente, ya que en

los de imán permanente el campo lo crea el imán, y entonces el circuito a medir se extrae

potencia solamente para la bobina móvil, mientras que en los electrodinámicos se precisa

además mucha potencia para establecer el campo, debido a la gran cantidad de amperio-

vuelta necesarios (del orden de 4000 Av/m)

2.3.2.1.INSTRUMENTOS ELECTRODINÁMICOS CON HIERRO

Como un resultado del desarrollo de los materiales magnéticos de bajas pérdidas es

posible emplear núcleos de hierro en algunos instrumentos electrodinámicos, con cierta

pérdida de exactitud pero con una ganancia fundamental en el valor de la inducción.

En ellos el flujo producido en la bobina se cierra en parte en el hierro; de manera tal que a

igual número de amperio-vuelta (o sea para igual consumo) se aumenta la intensidad de

campo, o bien se reduce el para la misma intensidad de campo. Pero la presencia del

hierro, aunque sea de gran permeabilidad y finamente laminado, complica la teoría del

instrumento, y la ley que rige su movimiento. En efecto, los flujos no resultan

rigurosamente proporcionales a las corrientes que los excitan, están algo desfasados con

respecto a ellas.

Tiene una bobina fija arrollada en el núcleo de hierro laminado, el que tiene piezas polares

diseñadas para dar una inducción radial y uniforme a través del entrehierro. La bobina





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móvil, dispuesta en forma asimétrica, rodea a la pieza polar, permitiendo la obtención de

un gran desarrollo de escala y una cupla bastante proporcional a

2.4.INSTRUMENTOS ELECTROSTÁTICOS.

En los que el movimiento de la aguja es causado por la fuerza que actúa sobre un

conductor cargado situado en un campo electrostático.

Se basan en el principio que establece que conductores cargados con cargas opuestas se

atraen, mientras que conductores con cargas del mismo signo se repelen. La magnitud de

la fuerza depende de la diferencia de potencial existente. Es por esto que los instrumentos

electrostáticos son esencialmente voltímetros, y si bien se pueden usar en la medición de

corriente y potencia, estas aplicaciones implican la determinación de una caída de tensión

a través de una impedancia conocida. Son poco usados en el campo de las medidas

industriales.

2.5.INSTRUMENTOS TÉRMICOS.

En los que la aguja se mueve a consecuencia de la dilatación (o generación de una

diferencia de potencial) de un material calentado eléctricamente.

El funcionamiento basado en fenómenos térmicos lleva naturalmente a un efecto

proporcional, en cada instante, al cuadrado de la corriente. Por ello los instrumentos

térmicos dan una medida intrínsecamente cierta de valores eficaces. La exactitud es

igualmente buena en c.a. o en c.c. y las indicaciones obtenidas están prácticamente libres

de errores de frecuencias, forma de onda y campos parásitos.

Son dos los efectos electrotérmicos que han sido usados para la medición de la corriente:





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La dilatación lineal de un conductor al elevarse su temperatura cuando lo recorre una

corriente: son los instrumentos térmicos de hilo.

La fuerza electromotriz que aparece en la unión de dos metales distintos, cuando esta

unión es calentada por un circuito auxiliar que conduce la corriente a medir: son los

instrumentos de termocupla.

2.5.1.INSTRUMENTOS TÉRMICOS DE HILO.

Este tipo de amperímetros (y voltímetros de él derivados) han perdido actualmente la

importancia que tuvieron en otros tiempos, al ser superados por los instrumentos de

termocupla para grandes frecuencias, y por los instrumentos electromagnéticos para

frecuencias industriales.

2.5.2.INSTRUMENTOS DE TERMOCUPLA.

En estos instrumentos hay una separación entre el detector primario y el dispositivo final

(que es el instrumento indicador). Una disposición típica consta de:

Un elemento calefactor que conduce la corriente a ser medida.

Una termocupla con su juntura caliente en contacto térmico con el calefactor y con su

juntura fría a la temperatura ambiente.

Un instrumento de imán permanente y bobina móvil, que actúa como mili voltímetro,

cuya desviación es proporcional a la f. e. m. desarrollada en la termocupla.

El funcionamiento de la termocupla se basa en el efecto Seebeck, que establece que si

dos conductores materiales distintos se conectan formando un circuito cerrado, y las dos

uniones se encuentran a distintas temperaturas, circulará una corriente en dicho circuito.

(Es decir se crea una f. e. m. térmica).





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PARTE PRÁCTICA

1. OBJETIVOS

Estudiar el principio de funcionamiento y la clasificación de los instrumentos.

Aprender a identificar el sistema de medida de un instrumento.

Conocer las partes constructivas de un instrumento de medida.

Armar con las piezas de laboratorio los instrumentos de medida electrodinámico, de

imán móvil y bobina fija.

Construir la escala de medida para un voltímetro y amperímetro según los anteriores

principios de funcionamiento.

2. MATERIAL

Material para la identificación de partes constructivas de un instrumento:

Voltímetro analógico marca Chauvin Arnoux

Vatímetro analógico marca Chauvin Arnoux

Desarmador estrella.

Material para armar un voltímetro (según el principio de funcionamiento

electrodinámico):

Dos fuentes de alimentación DC

Voltímetro digital

Conductores





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Núcleo de hierro (V1)

Bobina fija de 1800 espiras (V2)

Base (V3)

Bobina móvil (V4)

Aguja indicadora (V5)

Pieza para la escala (V6)

Dos soportes con sus respectivos cojinetes (V7 y V8)





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Material para armar un amperímetro y voltímetro (según el principio de

funcionamiento de un galvanómetro o instrumento de imán móvil y bobina fija):

Fuente de alimentación DC

Voltímetro digital

Amperímetro digital

Conductores

Base (G1) [En ésta viene incluido el soporte, imán móvil y aguja indicadora]

Bobina fija de 600 espiras con su pieza cilíndrica de ajuste (G2).

Reóstato de 0 a 290 (G3) de una corriente máxima de 1.30 A

Destornillador plano pequeño.





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3. PROCEDIMIENTO

1. Para la identificación de partes constructivas de un instrumento.

Con mucho cuidado retire los tornillos de sujeción de la base del voltímetro, una vez que





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el instrumento esté destapado identifique cada una de sus partes y su sistema de

medida.

Haga un dibujo esquemático de lo observado y anote las características del instrumento.

Repita los pasos anteriores para el vatímetro.

2. Para armar un voltímetro (según el principio de funcionamiento electrodinámico)

Colocar la bobina fija en el núcleo de hierro, luego instalar ambos sobre la base, al igual

que los dos soportes con sus respectivos cojinetes, los cuales sostienen a la bobina

móvil en la cual se encuentra sujetada la aguja y en uno de los soportes se coloca la

pieza para la escala.

Una vez armado el instrumento, alimentar a la bobina fija con 12 V; esto para que el

imán permanente tenga una polaridad fija, luego fijar la aguja en un punto de referencia

que estará al medio de la escala aproximadamente.





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Luego alimentar a la bobina móvil con una tensión desde cero para construir la escala

hasta un valor de 40 V, conectar en paralelo el voltímetro a la bobina móvil para poder

construir la escala con los valores que obtengamos en el voltímetro.

Marcar los valores obtenidos en la pieza de la escala para la construcción de la misma.

Realizar el mismo procedimiento invirtiendo el sentido de la corriente (se observará que





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la aguja se mueve en sentido contrario al anterior).

3. Para armar un voltímetro y amperímetro (según el principio de funcionamiento de

un galvanómetro o instrumento de imán móvil y bobina fija).

CONSTRUCCIÓN DE ESCALA DE UN VOLTÍMETRO

Sobre la base (en la cual viene incluida la escala, imán móvil y la aguja indicadora)

instalar el conjunto de partes que conforman el galvanómetro: bobina fija que es

sujetada por su pieza cilíndrica de ajuste.

Conectar la bobina fija del galvanómetro directamente a la fuente de tensión DC y

colocar un voltímetro en paralelo a esta conexión para controlar el voltaje suministrado.





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Del circuito armado (sin energizar) tomar un nivel de referencia para la aguja. Con

ayuda del destornillador plano ajustar el tornillo del resorte de escala hasta llegar a un

punto referencial que será el cero de la escala.

Energizar el circuito desde una tensión de 0 V

Aumentar el voltaje para que la aguja se desplace en sentido antihorario (de no ser así

cambie la polaridad de alimentación en la bobina fija) y con ayuda del voltímetro digital

marque las divisiones correspondientes en la escala que se va a construir. El valor

límite de la escala a construir es de 67 V.

CONSTRUCCIÓN DE ESCALA DE UN AMPERÍMETRO.

Armar el circuito conectando uno de los terminales de la bobina fija del galvanómetro,

al borne positivo de la fuente y el otro terminal en serie con la resistencia (este con

una valor dado) y el amperímetro digital, el cual es conectado al borne negativo de la

fuente de alimentación.

Una vez armado el circuito (sin energizar), tomar un nivel de referencia en la escala

con el resorte de ajuste, éste se ajusta con el destornillador plano.





UMSA



Para construir la escala se necesita que la resistencia tenga un valor de 100 Ω.

Energizar el circuito, alimentando al mismo inicialmente con una tensión de 21.2 V

aproximadamente, la cual debe ser incrementada paulatinamente para que la aguja

se desplace en sentido antihorario (de no ser así invertir la polaridad de alimentación

en la bobina) hasta un valor máximo en la escala, cuyo valor será determinado por el

amperímetro digital

Se debe tener en cuenta que la resistencia de 290 Ω sólo resiste una corriente máxima

de 1.30 A, por lo que la escala que se construirá será de un valor máximo de 0.6 A

4. CUESTIONARIO

1. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un multímetro digital?



4. principio de funcionamiento de los instrumentos de medida

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