EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE MEDICION ELECTRICA Los instrumentos de medición eléctrica de uso más común, tanto para corrientes continuas como variables (alternas), son entre otros los siguientes: • Galvanómetro (CC) • Amperímetro (CC y CA) • Voltímetro (idem ant) • Multímetro o tester (idem ant) • Watímetro (CA) • Frecuencímetro (CA) • Puente de Wheatstone (CC) • Medidores de energía (CC y CA) • Ohmímetros (CC y CA). Se dará a continuación una breve descripción de los instrumentos más comunes, y que serán utilizados en los T.P de electricidad. 1) Galvanómetro El galvanómetro es un instrumento muy sensible, utilizado tanto para la detección como para la medición de corrientes pequeñas. Todos los tipos se basan en el mismo fundamento y se ajustan a las siguientes características: una bobina de cuadro móvil sometida a la acción de un campo magnético. Cuando la corriente recorre el arrollamiento de la bobina, ésta acusa la interacción de la corriente con el campo (que se encuentra fijo), produciéndose el giro de aquella, la cual está solidaria a una aguja. El ángulo descripto por el cuadro dá una medida de la corriente que pasa por él. El aparato de D'Arsonval es el tipo más corriente de galvanómetro.

ESPEJO HILO DE SUSPENSIÓN DE BRONCE FOSFOROSO BOBINA Y NUCLEO

IMÁN PERMANENTE

N

BOBINA Y NUCLEO

IMÁN PERMANENTE

S RESORTE Y SU APOYO

N

S

PIEZAS POLARES DE HIERRO DULCE

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Con el objeto de poder medir corrientes superiores a la que admite el aparato, y proteger a éste de intensidades excesivas, los galvanómetros vienen equipados con "shunts" (que son resistencias conectadas en paralelo con la bobina del instrumento). 2) Amperímetro Es el instrumento que se utiliza para medir la intensidad de la corriente que circula por un conductor eléctrico. Los hay para medir corriente continua únicamente o para ambas corrientes (CC y CA). Los amperímetros pueden ser: a) de imán permanente (fijo) y bobina móvil. b) de hierro móvil. En los primeros, el ángulo de desviación de su índice (aguja, rayo luminoso) es proporcional a la intensidad de corriente que circula por él. Razones constructivas limitan el valor máximo de corriente medible a algunos miliamperios. En los de uso indistinto (CC y CA), su acción se basa en el principio de que la corriente que circula produce un calentamiento por el efecto Joule, proporcional al cuadrado de la corriente que circula (para CA, el valor de corriente es el valor eficaz y no el instantáneo). Con respecto a la forma correcta de conectarlo a un circuito, el mismo deberá estar en serie con la carga o consumo, de tal forma que a través del mismo solo pase la corriente que se trate medir. Deberá poseer una resistencia interna lo más baja posible, a fin de disminuir el error por consumo propio del instrumento. Esto hace que sea susceptible de ser dañado si no se lo conecta debidamente. Internamente los amperímetros cuentan con resistencias conectadas en paralelo (denominadas shunts), convenientemente escogidas, a través de las cuales pasa la mayor parte de la corriente, mientras que el resto circula por la bobina propiamente dicha del aparato. Estos shunts permiten que un mismo instrumento obtenga una amplia gama de escalas de corrientes medibles (por ej.0 -1 mA; 0 -1A; 0 -10 A) La corriente indicada por el instrumento es la relación entre la tensión entre sus bornes y la resistencia interna del mismo: Ia =

Va Ra

I

Ia

Is

FEM

Ra SHUNT CARGA O CONSUMO

Rs A AMPERIMETRO

Del esquema de la figura se deduce que:

I = Ia + Is Rs I s = Ra I a = Rs ( I − I a ) 2

Rs =

Ra Ia I − Ia

Ra Ia = Rs I − Rs I a Ra Ia + Rs Ia = Rs I I a ( Ra + Rs ) = Rs I  R + Rs  I=  a  Ia = m Ia  Rs  Donde: I = corriente total circulante. Is = corriente circulante por el shunt. Ia = corriente circulante por el amperímetro Rs = resistencia shunt. Ra = resistencia interna del amperímetro. m = factor de amplificación. En estas condiciones, cuando a través del amperímetro circule la corriente Ia, el valor de la corriente puede ser leido directamente, tomando en cuenta que en la escala del aparato ya esta incluido el factor m: m=

Ra + Rs R = 1+ a Rs Rs

 R  Rs =  a   m −1 Teniendo por ejemplo, un amperímetro cuya escala termina con el valor 50.10-6 A y que tiene una Ra = 400 ohms, podemos calcular el shunt, para que la lectura final de la escala corresponda 5 . 10-3 A (o sea simplificando 100 veces). De la formula (10) obtenemos: Rs =

400 × 5010 . −6 = 4,05 ohms (510 . −3 ) − ( 5010 . −6 )

Otro ejemplo: si normalmente tenemos que la Ia = 0,1 A, es la máxima corriente que puede medir un instrumento, y queremos ampliar la escala 10 veces (para poder medir 10 Amp.): m = 10 ¿Cuánto deberá valer el shunt a conectar? Supondremos que Ra = 10 ohms: Rs = Ra/ m - 1 = 10/ 10 - 1 = 10/9 = 1,11 ohms ¿Qué corriente circulara por el shunt? Is.Rs = Ia.Ra implica que Is = Ia.Ra /Rs = 10.10/1,11 = 90,1 Amp. O sea que por el shunt circularan 90,1 Amp. y por la bobina del instrumento, solo 10 Amp.

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En un mismo amperímetro, las resistencias sucesivas pueden unirse por medio de una llave giratoria que selecciona el rango a utilizar, como se muestra en la figura siguiente:

I

Ia

FEM

Ra Rs

CARGA O CONSUMO

Is

LLAVE SELECTOR

A AMPERIMETRO

Cuando se deba medir una corriente, previamente habrá que "ajustar a cero" la aguja del instrumento; esto se puede hacer mediante un tornillo o perilla de ajuste que en general esta al frente del aparato, en la base de dicha aguja. 3) Voltímetro Es el instrumento que en física eléctrica, permite medir diferencias de potencial o voltaje entre dos puntos de un circuito conductor, o entre los extremos de un elemento de consumo, o entre los bornes de una f.e.m. (pila, generador, batería). La conexión debe ser realizada en paralelo con la carga o consumo, tal como se indica en la figura siguiente:

I

Iv Ic Rv

FEM

CARGA O CONSUMO

V VOLTIMETRO

Para no desviar apreciablemente la corriente, el voltímetro debe poseer una resistencia interna elevada (tal que Iv ≅ 0), colocada en serie con la bobina del instrumento. Esto tendrá como resultado que el instrumento producirá menos error por consumo propio. El voltímetro podrá ser convertido en un instrumento de escalas múltiples, si se adicionan en serie con el mismo, resistencias adicionales (llamadas multiplicadoras). Las mismas podrán ser seleccionadas mediante una conexión giratoria, tal como se indica en la figura siguiente: 4

Ia Rs

BORNES A MEDIR

Rv

V

LLAVE GIRATORIA

Is

VOLTIMETRO

También aquí, al igual que el amperímetro, se deberá respetar la polaridad del instrumento antes de conectarse. Interesa además, que la aguja inicialmente marque "cero"; si así no fuese, deberá corregirse con el tornillo de ajuste. En voltímetros de escala múltiples (multímetros o tester), se acostumbra a definir la resistencia interna por unidad de tensión final de escala. Por ejemplo, la escala de 6 V de un voltímetro puede corresponder con una resistencia interna de 12000 ohms. Tendremos entonces para el mismo una R. interna por unidad de tensión final de escala de: 12000/6 =2000 ohm/V Ya que el consumo de corriente debe ser siempre el mismo para todas las escalas, este aparato debe tener para la escala de 120 Voltios la resistencia interna de 2000 ohm/V x 120 V = 240000 ohms de resistencia interna. Conociendo los valores de resistencia interna por unidad de tensión (también se llama "sensibilidad" ) del aparato, podemos tener una idea de su calidad y compararlo con otros voltímetros 4) Ohmimetro Este instrumento mide la resistencia de un elemento conductor. Generalmente estos se encuentran incorporados a los llamados multímetros o "tester", muy usados por los electricistas y técnicos electrónicos. Internamente poseen una fuente de tensión constante que alimenta el circuito cuya resistencia se desea conocer. Los "tester" tienen la posibilidad de poder medir variados rangos de ohmios, con sólo girar una llave selectora. Ejemplos de rangos son los siguientes: R × 1 : La lectura dá directamente el valor real medido. R × 10: La lectura deberá multiplicarse por 10 para el valor real. R × 1000 : Idem anterior, pero por 1000 veces. R × 10 K : Idem anterior, pero por 10000 veces. Estos rangos varían con los modelos, las calidades y usos de los multímetros. 5

La polaridad del circuito aquí no interesa; es decir, la resistencia puede ser conectada en cualquier extremo a cualquier polaridad del instrumento. Se tiene que tener en cuenta que, luego de seleccionar el rango de medición, se debe "ajustar a cero" el aparato y luego medir. El ajuste de cero se hace simplemente tocando los dos extremos de las "puntas de prueba". Un esquema del aparato es el siguiente: ESCALAS

MULTIMETRO SELECTOR DE FUNCION Y DE RANGO

BORNES DE CONEXION

AJUSTE DE CERO

5) Puente de Wheastone Es un instrumento que sirve para medir en forma precisa y rápida, el valor de una resistencia cualquiera. Consta de tres resistencias conocidas exactamente, una de las cuales esta construida de forma que pueda variarse punto por punto su valor (regulable); y la cuarta resistencia es la resistencia incógnita que queremos medir. Las cuatro R conforman el denominado "Puente de Wheatstone". Posee también una rama central adonde vá conectado un galvanómetro. Se dirá que el "P. de Wheatstone" se halla en equilibrio cuando por la rama central, en la cual se encuentra conectado el galvanómetro, la corriente es nula. El circuito es el siguiente: I FEM

Ra

Rb Rg

G R

Rs

Luego, en otro trabajo práctico se abundará en detalles sobre este circuito que servirá para determinar el valor de una resistencia incógnita. 6