variables electricas y medicion

TALLER DE INSTALACIONES DE ALUMBRADO UNIDAD III VARIABLES ELECTRICAS Y MEDICION

La medición y sus problemas

• A finales del siglo XIX, una de las tareas más importantes fue la de definir en todos los ámbitos unos patrones de medida, ya que la existencia de un número elevado de unidades para una misma magnitud dificultaba el desarrollo industrial..

FRANCISCO VERGARA O. - t.i.a. 2015 - II

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• Un ejemplo que nos ilustra esta problemática es la relación entre dos fábricas a finales del siglo xv111, una situada en Francia y otra en Inglaterra. La fábrica francesa se encargaba de la fabricación de cañones para barcos de guerra } la fábrica inglesa, fabricaba la munición. Algo tan sencillo, ofrecía multitud de problemas: o los agujeros del cañón eran pequeños, o los diámetros de las balas eran demasiado grandes.


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• De hecho, medir es cuantificar cuántas veces una unidad estándar está incluida en una magnitud.


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La medición de magnitudes eléctricas

• La medición de una magnitud eléctrica necesita también de un patrón de medida, el problema está en que dichas magnitudes están basadas en fenómenos físicos que, la mayoría de veces, son más difíciles de comprender.


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La medición de magnitudes eléctricas

• Los primeros aparatos de medición eléctrica basaban su

principio de medida en el movimiento de una aguja sobre una escala graduada. Estos aparatos son los denominados analógicos.

• El auge de la electrónica en los últimos 30 años ha hecho posible obtener el resultado directamente en forma de número (en una pantalla o display). Estos son los aparatos digitales.


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Clasificación de aparatos de medida eléctrica

• Existen varios aparatos para medir las magnitudes eléctricas.

Una primera clasificación, como hemos podido comprobar, es la que atiende a la forma de presentar la medición, distinguiendo entre aparatos de medida analógicos y digitales.

• Sin embargo existen otras posibles clasificaciones atendiendo a diferentes criterios entre los que se encuentran:

• Tipo de corriente eléctrica. • Tipo de magnitud eléctrica. • Forma de presentar la medida eléctrica. • Tipo de aplicación.


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Tipo de corriente eléctrica • Atendiendo a este criterio, se puede distinguir entre aparatos de

medida para corriente continua, para corriente alterna y los que sirven para ambas.

• Corriente continua. Se utilizan para medir en circuito de corriente continua, siendo necesario que lleven identificado el borne positivo, para evitar que la aguja se desvíe en sentido contrario al correcto.

• Corriente alterna. Se utilizan para medir en circuitos de corriente alterna no es necesario que los bornes lleven alguna identificación.

• Corriente continua y alterna. Se utilizan para medir, tanto en circuitos de corriente continua como en circuitos de corriente alterna. No es necesario que lleven marcado el borne positivo, porque el sistema de medida que utiliza desvía la aguja en el sentido correcto.


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Tipo de magnitud eléctrica En función de la magnitud que se desee medir, se precisarán unos aparatos diferentes. A continuación, se indican las principales magnitudes y los aparatos utilizados para su medición:


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MAGNITUDES ELÉCTRICAS E INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Magnitud Eléctrica Sigla Aparato de Medida

Tensión Eléctrica V Voltímetro

Intensidad Eléctrica I Amperímetro

Resistencia Eléctrica R Óhmetro

Potencia Activa P Wattmetro

Potencia Reactiva Q Varímetro

Energía Eléctrica E - W/h Medidor de Energía

Frecuencia F Frecuencímetro

Desfase Eléctrico Fasímetro

Conceptos en la medición eléctrica Existen una serie de conceptos relativos a la medición de magnitudes eléctricas que es necesario precisar, ya que se refieren a contenidos muy similares que a menudo se pueden confundir. Estos conceptos son: alcance, sensibilidad, constante de escala, valores verdaderos y medido, errores de medición, incertidumbre, precisión, exactitud, clase de precisión y resolución.


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Conceptos en la medición eléctrica La sensibilidad (S) de un aparato de medida es la relación entre el desplazamiento (1) de la aguja o índice observado y la variación de la magnitud (M) medida que ha provocado este desplazamiento.

S=∆l/∆M Por ejemplo, un voltímetro que provoca 10mm de desplazamiento en la aguja o índice indicador por cada voltio, se dice que tiene una sensibilidad de 10 mm/V. Para una escala uniforme, la sensibilidad será constante. Todo lo contrario ocurre cuando la escala no es uniforme; en este caso la sensibilidad será variable a lo largo de toda la escala.


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Conceptos en la medición eléctrica La constante de escala se define como el cociente entre el campo de medida y el número de divisiones de la escala. Se representa por kesc

kesc=(Campo de medida)/(Número de divisiones de la escala)

Esta constante es el "coeficiente por el que es necesario multiplicar la lectura en divisiones para obtener el valor de la cantidad medida"


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Conceptos en la medición eléctrica • Valor verdadero y valor medido • El valor verdadero (Vf) . Es un valor hipotético

que no puede conocerse. Se toma como valor verdadero el medido con un aparato patrón. También se le llama valor real.

• El valor medido (Vr) . Es el valor obtenido con un aparato de medida en unas determinadas condiciones. Este es el valor que se compara con el valor verdadero (tomado con un aparato patrón) para poder conocer su correcto funcionamiento.


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Conceptos en la medición eléctrica • Errores de medición • Al efectuar una medición es casi imposible no

cometer errores. Esto se debe, a veces, a las características del instrumento empleado (errares sistemáticos) y, en otras ocasiones, a la manera de efectuar la medición (errores accidentales).

• Errores sistemáticos. Son los que se cometen al realizar una medición como consecuencia de las cualidades intrínsecas (materiales empleados en su fabricación) de los aparatos utilizados y del método de medida empleado.


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Conceptos en la medición eléctrica • Sólo pueden ser corregidos empleando

aparatos más precisos o modificando las condiciones o los métodos de medición. Pueden ser cuantificados debido a su invariabilidad bajo las mismas condiciones de uso. La evaluación de los errores sistemáticos se obtiene mediante la consideración del error absoluto y el error relativo.


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Conceptos en la medición eléctrica • Error absoluto (Ea). Se define como la diferencia entre el

valor medido (Vi) y el valor verdadero (Vr). Ea=Vi-Vr

• Error relativo (Er). Se define como el cociente entre el error

absoluto (Ea) y el valor verdadero (Vr). Er=Ea/Vr

• Por lo general, este valor se da en tanto por ciento,

denominándose, error relativo porcentual Er(%). Nos da una idea más aproximada de la calidad del aparato de medición.


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Conceptos en la medición eléctrica • La incertidumbre se define como la

estimación del intervalo de valores dentro del cual se encuentra el valor verdadero de la magnitud medida. La incertidumbre nos da una idea de la exactitud de la medida: a menor incertidumbre la fiabilidad de la medida es mayor.

• La incertidumbre de un aparato patrón es muy pequeña, esto nos permite tomar la medición como valor verdadero.


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Conceptos en la medición eléctrica

• La clase de precisión se define como el cociente entre el error absoluto máximo y el valor final de escala, expresado en tanto por ciento.

• Clase de precisión (%) = (Ea máx)/(Valor final de escala)x100


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Medición de las magnitudes eléctricas fundamentales • Un aparato de medida ideal sería aquél que

una vez conectado al circuito, no variara las condiciones iniciales del circuito. Pero esto raramente ocurre, ya que todos los aparatos reales modifican, aunque sea levemente, esas condiciones.

• Por ejemplo, no existe ningún aparato que no consuma energía, lo importante es que dicho consumo sea despreciable y no modifique la medida.


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Medida de la intensidad eléctrica • El aparato utilizado para la medición de la

intensidad eléctrica se denomina amperímetro. El amperimetro se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se desea medir.

• Un amperímetro ideal debería tener una resistencia interna de 0 ohmios, pero en realidad todos tienen un valor reducido, del orden de 0,01 a 0,1 ohmios. Para reducir esta resistencia al máximo se utiliza un hilo de gran sección y una longitud lo más corta posible, para construir la bobina amperimétrica.


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Medida de la intensidad eléctrica • Para poder realizar medidas superiores al

alcance del amperímetro, es necesario tener en cuenta el tipo de corriente del circuito donde se realiza la medición.

• Para ampliar el campo de medida en corriente continua se utiliza una resistencia calibrada adicional, llamada shunt.


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Medida de la intensidad eléctrica • Para ampliar el campo de medida en

corriente alterna se puede utilizar un transformador de intensidad.


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Medida de la intensidad eléctrica • El aparato utilizado para la medición de la tensión

eléctrica se denomina voltímetro. El voltímetro se conecta en paralelo con el circuito cuya tensión se desea medir.

• Un voltímetro ideal, debería tener una resistencia de valor infinito, pero en realidad, su valor es de cientos de miles de ohmios. En general estos aparatos constan de un galvanómetro (aparato destinado a la medición de corrientes muy débiles) y una resistencia R, de elevado valor, conectada en serie.


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Medida de tensión eléctrica

• Las resistencias utilizadas se construyen en un material llamado manganina, caracterizada por mantener constante su resistencia al variar la temperatura.

• Para que un voltímetro pueda tener varios alcances, se deben colocar en su interior, varias resistencias adicionales que se conectarán al circuito, según el alcance elegido.


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Medida de tensión eléctrica

• Si la magnitud que se va a medir es superior al alcance del voltímetro se puede recurrir a la ampliación del campo de medida mediante resistencias adicionales o mediante transformadores de tensión (válido sólo en corriente alterna).


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Medida de resistencia eléctrica • La resistencia eléctrica de un elemento depende

exclusivamente del material del que esta construido. Para medir su valor, se necesita de una fuente de tensión, que lleva incorporada el propio aparato de medida. Al aplicar una tensión en dicho elemento, se hará circular una corriente, entonces aplicando la ley de Ohm, la resistencia será igual, al cociente entre la tensión aplicada y la corriente que circula.

• El aparato utilizado para la medición de la resistencia eléctrica se denomina óhmetro. El óhmetro se conecta en los bornes del elemento, cuya resistencia se desea medir. Hay que tener en cuenta que antes de efectuar una medida, estos aparatos deben ser ajustados a cero.


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Medida de resistencia eléctrica • Debe tenerse la precaución de no utilizarlos jamás en

circuitos bajo tensión, ya que el aparato lleva su propia fuente de tensión y podría provocarse la destrucción del aparato de medición, además de falsear la medida.

• Existen otros aparatos de medida más precisos que el óhmetro, son los llamados puentes de medida. Los dos más importantes son el puente de Wheatstone y el puente de Thomson.


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Medida de resistencia eléctrica • El puente de Wheatstone se utiliza principalmente para la

medición de valores de resistencia en laboratorio, que exigen un nivel elevado de precisión. Su rango de trabajo varía entre 0,5 y 50.000 ohmios.

• El puente de Thomson es un aparato que se utiliza en el laboratorio para medir con elevada precisión valores de resistencia inferiores a 0,5 ohmios, llegando incluso a medidas de hasta 1 microhmio.


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Medida de la potencia en corriente continua • La medida de la potencia en corriente continua se realiza

directamente mediante un aparato llamado vatímetro, indicando en su escala, el producto entre la tensión aplicada y la intensidad que circula por el mismo.

• Estos aparatos están constituidos básicamente por una bobina

amperimétrica fija y otra vultimétrica móvil, cuyas conexiones se llevan al exterior de la caja del aparato. La escala del vatímetro es proporcional al calibre utilizado tanto para la tensión U, como para la intensidad I. Para conocer el valor de una división, se define la constante de lectura de un vatímetro por la siguiente expresión:


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Medida de la potencia en corriente continua • Constante del Wattmetro = Calibre de I x Calibre de U Número de divisiones de la escala

• Hay que tener mucho cuidado de no sobrepasar los límites del calibre

de tensión y sobre todo el de intensidad, ya que podríamos destruir, por el efecto Joule, la bobina de intensidad.


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Medida de la potencia en corriente alterna • En corriente alterna las expresiones posibles de potencia eléctrica

son:

• P = U • I • cos ᵠ (W) circuito monofásico

• P = √3 • U • I • cos ᵠ (W) circuito trifásico


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Medida de otras magnitudes Medida de la energía eléctrica • El aparato utilizado para la medición de la energía eléctrica se

denomina MEDIDOR de energía eléctrica y está diseñado para multiplicar la potencia por el tiempo.

• Estos aparatos son utilizados por las compañías eléctricas para poder cuantificar la energía que consume cada usuario, ya sea en el ámbito doméstico o industrial.

• Existen dos tipos de contadores, el más usado es el utilizado para medir la energía activa, pero también existen los que miden la energía reactiva, utilizados principalmente en los consumos industriales.


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Medida de otras magnitudes Medida de la energía activa. • Se mide con un contador de energía activa. La unidad de

medida de la energía es el Watts (W/h) • Los contadores son apara tos de gran precisión, ya que

son utilizados por las compañías eléctricas para facturar los consumos de sus clientes.

• Actualmente, se están imponiendo los contadores

digitales, por su tamaño, fiabilidad, precisión y facilidad de montaje.


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Medida de otras magnitudes Medida de la energía reactiva. • En las industrias, debido a que existen cargas inductivas,

como por ejemplo los motores eléctricos, a las compañías eléctricas les interesa conocer el consumo de estas cargas.

• A esta energía consumida se le llama reactiva. La unidad

de medida es el Kilo voltamperio reactivo-hora (kVArh). • Al igual que ocurre con los medidores de energía activa,

los medidores digitales empiezan a ser los más utilizados en la medición de energía reactiva.


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Medida de otras magnitudes Medida de la Frecuencia Eléctrica. • La frecuencia es un parámetro que nos indica el número

de veces que una señal se repite en una unidad de tiempo y tiene como unidad el Herz (Hz).

• La frecuencia solo se mide en corriente alterna, ya que en

corriente continua es 0.


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Medida de otras magnitudes

• Existen dos valores característicos: 50Hz para Europa y 60Hz para América.

• El equipo utilizado para la medición de frecuencia se

denomina frecuencímetro y se conecta en paralelo con el circuito que se desea medir


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Medida de otras magnitudes Medida del Factor de Potencia. • El equipo destinado a medir factor de potencia se denomina

fasímetro y determina el desfase entre la tensión y la intensidad del circuito donde se conecta.

• A diferencia de la corriente continua, las bobinas y los condensadores ofrecen una resistencia al paso de la corriente eléctrica llamada reactancia.

• Estas reactancias son responsables de que se produzcan

desfases entre la tensión y la corriente.


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• La bobina produce un desfase

de 90º e adelanto de la tensión con respecto de la corriente, mientras que el condensador también produce un desfase de 90º, pero en retraso de la tensión, con respecto de la intensidad.


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Medida de otras magnitudes Medida de la resistencia de aislamiento. • A calidad de los aislamientos de los circuitos eléctricos se

comprueban mediante la utilización del megger que mide la resistencia de aislamiento. Este aparato se compone de una fuente de tensión continua, de muy baja intensidad, que se conecta al circuito que se va a medir.


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Medida de otras magnitudes • La tensión de ensayo más

utilizada es de 500V, cuyo ensayo no es destructivo por lo que se puede realizar varias veces en un mismo circuito.

• Su escala está graduada en

Megaohmios.


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Medida de las corrientes de fuga. • Las corrientes de fuga aparecen en la mayoría de las

cargas en condiciones normales de funcionamiento debido a que los aislamientos no son perfectos y por lo tanto existen corrientes de fuga muy pequeñas, del orden de miliamperios.


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Medida de otras magnitudes • Para conocer su valor se utiliza

una pinza amperimétrica de una sensibilidad de 1mA, que se coloca abrazando todos los conductores activos (fases y neutro si existe).


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Medida de otras magnitudes Medición del orden de fases. • En los sistemas trifásicos existe un sentido cíclico de los

valores máximos de las tensiones en las tres fases. Éste conocimiento es indispensable para conectar correctamente alternadores en paralelo, para acoplamiento de transformadores y conexión de otros aparatos eléctricos, para señalar los tres conductores de las líneas de distribución y para conectar motores para que su sentido de giro corresponda al deseado.


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Medida de otras magnitudes • Existen dos modelos para

medir el orden de fases: de campo giratorio y de lámparas.


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