Instrumentos y aparatos de medida: Aparatos de medida

Emilio ya es un experto en electricidad, al igual que tu, pero aún hay un aspecto que no hemos tratado y que es fundamental: las mediciones necesarias en circuitos eléctricos. Imagínate, lo imprescindible que puede resultar hacer una medición correcta de determinadas magnitudes eléctricas para detectar, por ejemplo, una avería en un circuito, una conexión inadecuada, o la energía que se consume. En este tema desarrollaremos las nociones previas necesarias para comprender correctamente los instrumentos utilizados en estas mediciones, así como algo fundamental, los errores que es necesario conocer y saber calcular para que la medida sea fiable. ¡Ánimo que ya queda poco!

Imagen 1. Polímetros. Fuente Wikipedia. Licencia Creative Commons.

1. Introducción

En los circuitos eléctricos y electrónicos es necesario hacer mediciones para comprobar su correcto funcionamiento, para calcular magnitudes, etc, para ello se usan aparatos de medida que presentan unas características que los hacen apropiados para estas medidas y que se simbolizan en los diferentes instrumentos. En esta unidad estudiaremos cómo funcionan dichos aparatos de medida, así cómo están constituidos, y cuáles son los símbolos que detallan sus características.

Vídeo 1. Mediciones. Fuente Youtube. Licencia Creative Commons.

2. Definición de medida

En primer lugar, debemos definir qué queremos decir exactamente cuando decimos qué "medimos". Es un término usado habitualmente, pero, quizás nunca nos hemos planteado exactamente cómo podemos definirlo científicamente. Pues bien, ¡ya era hora! Medir una magnitud es compararla con patrón.

¿Qué es un patrón? Es un valor concreto de esa misma magnitud tomado de forma arbitraria, pero universal, que se va a usar como modelo. Cuando medimos expresamos cuántas veces la magnitud medida contiene al patrón. Los patrones definen las unidades y deben ser inalterables a la acción del tiempo y a agentes, como los meteorológicos.

Esto quiere decir, que cuando medimos, podemos hacerlo de dos formas: 1. Comparando directamente con el patrón. Por ejemplo, cuando medimos una longitud usando un metro. 2. Usando instrumentos de medida que previamente estarán calibrados en fracciones del patrón en cuestión y que nos darán directamente la medida.

Algunos ejemplos de medidas utilizadas en circuitos eléctricos son: Magnitud

Símbolo

Unidad

Aparato

Cantidad de electricidad

Q

Coulombio (C)

Galvanómetro

Intensidad

I

Amperio (A)

Amperímetro

Resistencia

R

Ohmio (Ω)

Óhmetro

Voltaje

V

Voltio (V)

Voltímetro

Potencia

P

Vatio (W)

Vatímetro

Energía

E

Julio (J)

Contador de energía

Factor de potencia

FP (cos φ)

-

Fasímetro

Podemos realizar básicamente, dos tipos de medidas eléctricas: 1. Medidas de tipo industrial: son aquellas que se realizan directamente en la instalación. Los aparatos que se utilizan pueden ser tanto fijos como móviles. 2. Medidas de laboratorio: se realizan en condiciones ideales distintas a las ambientales. Se utilizan para diseñar circuitos, aparatos de medida, etc, o bien, para comprobar el correcto funcionamiento de dichos aparatos.

3. Errores

Cuando realizamos una medida, ésta casi nunca es exacta, en primer lugar, porque somos humanos y cometemos errores accidentales al azar y en segundo lugar porque los propios instrumentos de medida comenten errores, que se denominan, instrumentales. Por ello, es necesario conocer bien los errores, para calcularlos y preverlos.

Los errores en medidas eléctricas se pueden dividir en:

1. Errores sistemáticos: son debidos a las características del aparato o al observador. Los más frecuentes de este tipo son: a. Errores ambientales: producidos por el entorno en el que se realiza la medida, como la temperatura, la humedad, la presión, etc. b. Errores personales: dependen de la persona que realiza la medida, de su aptitud, si sabe colocarse correctamente para realizar la lectura, etc. c. Errores instrumentales: se producen por los propios aparatos, si se desgastan o estropean. 2. Errores accidentales: no se pueden clasificar porque son numerosísimos y se producen de forma totalmente aleatoria. No son muy importantes en medidas eléctricas.

Hemos dicho que es necesario cuantificar los errores, para ello, debemos conocer los siguientes conceptos: Error absoluto (Ea): diferencia entre el valor obtenido al realizar la medida y el valor real. No nos indica nada sobre el aparato, sólo cuánto nos hemos equivocado. Ea=Valor medido - Valor real=Am -Ar

Error relativo (Er): es el cociente entre el error absoluto (Ea) y el valor máximo de su escala (Amax). Nos da información sobre el instrumento de medida. Se suele expresar en tanto por ciento, en cuyo caso, habrá que multiplicar por 100 la expresión siguiente:

Tenemos un amperímetro que queremos saber si es válido para realizar mediciones. Para ello, comparamos su medida con un amperímetro patrón. Calcula el error relativo y el absoluto del amperímetro de prueba. Las medidas que se obtienen son: con el amperímetro de prueba, 6,1 A y con el patrón, 6,0 A.

3.1 Precisión

Al calcular errores relativos, obtenemos datos que diferencian unos aparatos de medida de otros, en función de lo precisos que sean. Por esto es importante definir qué es la precisión:

Un aparato es más preciso cuanto más pequeño es el valor que puede apreciar.

En función de esto podemos clasificar los aparatos de medida en diferentes clases de precisión.

Clase de precisión es el error relativo que como máximo puede tener un aparato de medida. Estos valores de clase de precisión están normalizados y el valor correspondiente de cada aparato debe aparecer indicado en su escala.

A continuación vemos una tabla con estos valores de clase de precisión normalizados:

Imagen 2. Clases de precisión. Fuente: Elaboración propia.

Las aplicaciones de los diferentes aparatos según su clase de precisión son: Clase 0,1 y 0,2: Instrumentos para investigación. Clase 0,5: Instrumentos para laboratorio. Clase 1: Instrumentos portátiles para mediciones de corriente continua. Clase 1,5: Instrumentos de medida en cuadros y aparatos portátiles de corriente alterna. Clase 2,5 y 5: Instrumentos de medida en cuadros.

4. Características de los aparatos de medida

Cuando hablamos de instrumentos de medida hay algunas características a las que nos referimos normalmente y que conviene definir. Algunas de ellas son: Precisión: ya se ha explicado anteriormente, pero volvemos a recordarlo. Es la mínima fracción de la escala del aparato que puede apreciarse exactamente sin errores durante la medición. Sensibilidad: es la relación entre la desviación máxima de la aguja medidora y la variación de la magnitud que se está midiendo. Es una cualidad exclusiva de los aparatos analógicos. Exactitud: el grado de semejanza entre el valor medido y el valor real de la magnitud. Fidelidad: un aparato se considera fiel cuando al repetir varias veces la medición da el mismo valor. Rapidez: un instrumento es rápido cuando se estabiliza en un tiempo corto. Campo o alcance de indicación: es el valor de la cantidad que se está midiendo que hace que el elemento indicador se desplace desde el principio hasta el final de la escala. Calibre o campo de medida: es la medida máxima que podemos hacer utilizando un determinado aparato. Algunos aparatos de medida tienen diferentes campos de medida para una misma magnitud, para usarlos en diferentes conexiones, por ejemplo. Constante: normalmente, en los instrumentos de medida cada división corresponde a varias unidades de medida, en estos casos para calcular la medida será necesario multiplicar el número de divisiones por la constante que corresponda en cada caso. Esta constante se define como la división entre el calibre y el número de divisiones. En la imagen siguiente tenemos un ejemplo de un instrumento de medida en el que se aprecian los campos de medida y el campo de indicación:

Imagen 3. Campo de medida y campo de indicación. Fuente: Elaboración propia.

Lee el siguiente texto y rellena los espacios en blanco Lo mínimo que un aparato de medida puede apreciar sin errores se denomina . El grado de semejanza entre el valor medido y el valor real se denomina . Si un instrumento de medida se estabiliza en un tiempo . Si repetimos varias veces una medida y siempre nos corto, se dice que es da el mismo valor, decimos que el instrumento tiene . Comprobar

5. Clasificación de los aparatos de medida

Podemos clasificar los instrumentos de medida en analógicos y digitales: 1. Analógicos La magnitud medida se traduce en una señal analógica. Tienen un sistema que traduce la medida (traductor) y un sistema que nos indica la medida (indicador). Dependiendo del sistema que se utilice como indicador, existen diferentes tipos de aparatos: a. Magnetoeléctricos: constan de una bobina y un imán que producen dos campos magnéticos, uno móvil y otro fijo. Según sean los campos magnéticos se denominan: De imán móvil: el imán permanente es el elemento móvil. De cuadro móvil: la bobina produce el campo magnético móvil. Son los que se usan actualmente. La aguja indicadora va acoplada a la bobina que gira libremente entre los polos del imán permanente. La corriente que se va a medir se hace llegar a la bobina, donde crea un campo magnético contrario al del imán, que hace girar la bobina, y por tanto, la aguja, hasta un punto en la escala del aparato proporcional a la intensidad que recorre la bobina. Sólo se emplean para corriente continua. Tienen gran precisión y sensibilidad. Son: amperímetros, voltímetros, óhmetros, etc.

Imagen 4. Amperímetro analógico. Fuente Wikipedia. Licencia Creative Commons.

b. Electromagnéticos (o de hierro móvil): formados por una bobina con un interior constituido por dos núcleos de material ferromagnético, uno fijo y otro móvil, este último conectado a la aguja indicadora. Funcionan porque al circular corriente (la que se quiere medir) por la bobina se origina una campo magnético que imanta los dos núcleos con la misma polaridad, originándose una repulsión que hace girar el núcleo móvil. El campo magnético es proporcional a la corriente que atraviesa la bobina. Se usa para amperímetros y voltímetros tanto de corriente continua como alterna. c. Electrodinámicos: formados por dos bobinas, una fija y otra móvil, concéntricas, que son atravesadas por la corriente que se quiere medir, creándose en ambas bobinas campos magnéticos que hacen que la bobina móvil gire moviendo la aguja indicadora. Se usan para amperímetros, vatímetros y voltímetros tanto de corriente continua como alterna. d. De inducción: están formados por un electroimán atravesado por una corriente alterna que da lugar a un campo magnético variable. En el entrehierro del imán tienen un disco de aluminio que va acoplado a la aguja indicadora y que es móvil. En dicho disco se originan corrientes de Foucault que dan lugar a un campo magnético opuesto al del imán, deteniéndose la aguja en una determinada posición de la escala. Se usan para amperímetros y voltímetros de corriente alterna.

e. Electrotérmicos: se basan en el efecto Joule. Actualmente, los más usados tienen una lámina bimetálica formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación unidas longitudinalmente. Cuando esta lámina es atravesada por la corriente eléctrica, el metal con mayor coeficiente de dilatación se alarga, curvando la lámina, este movimiento se transmite a la aguja indicadora que se moverá por la escala. Se usa para amperímetros y voltímetros tanto de corriente continua como alterna.

2. Digitales Al ser digitales sólo toman algunos valores de la magnitud medida, que son traducidos por un convertidor analógico-digital, que asigna a cada valor de la magnitud un valor binario. El más usado es el polímetro digital.

Imagen 5. Polímetro digital. Fuente Wikipedia. Licencia Creative Commons.

6. Elementos que constituyen los aparatos de medida

Veremos a continuación qué elementos forman los aparatos de medida. Es importante comprender como funcionan y como están constituidos estos aparatos para así realizar e interpretar las medidas correctamente.

Imagen 6. Galvanómetro de principio del siglo XX. Fuente Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Estudiaremos: Las escalas. Los dispositivos indicadores.

6.1. Escalas

Las escalas se utilizan en los dispositivos analógicos. En estos aparatos la medida se indica mediante una aguja que señala una escala graduada. Podemos tener diferentes tipos de escalas según como sean las divisiones.

Las más frecuentes son: 1. Escala lineal o uniforme: tienen todas las divisiones de la escala iguales. Se usan en aparatos de medida magnetoeléctricos móviles y en los electrodinámicos usados para medir potencias.

Imagen 7. Escala uniforme o lineal. Fuente: Elaboración propia.

2. Escala cuadrática: las divisiones se van ensanchando al final de la escala. Se usan en los aparatos de medida electrodinámicos, electrotérmicos y electrostáticos.

Imagen 8. Escala cuadrática. Fuente: Elaboración propia.

3. Escala ensanchada: tienen divisiones distintas al principio y al final de la escala.

Imagen 9. Escala ensanchada. Fuente: Elaboración propia.

4. Escala logarítmica: las divisiones son más próximas al final de la escala. Son características de los óhmetros.

Imagen 10. Escala logarítmica. Fuente Wikipedia. Licencia Creativa Commons.

6.2. Dispositivos indicadores

Son los dispositivos que nos van a indicar la medida.

En los dispositivos analógicos, el dispositivo indicador va a ser, en la mayoría de los casos, una aguja, cuya posición en la escala nos indicará la medida.

En los dispositivos digitales la medida nos aparece numéricamente. Cada dígito está formado por siete segmentos en un display.

Los indicadores más utilizados pueden ser:

Indicadores LCD: basados en la propiedad de algunas sustancias orgánicas que en estado líquido cuando son sometidas a la acción de un campo eléctrico dejan de ser transparentes y se transforman en opacas. Indicadores LED: cada segmento del display es iluminado por un diodo LED.

Imagen 11. Pantalla de un indicador LDC. Fuente Wikipedia. Licencia Creative Commons.

7. Indicaciones en las escalas

Finalmente, veamos los distintos tipos de indicaciones en las escalas.

Símbolos de tipos de aparatos en las escalas Símbolo

Significado

Aplicación

Aparato de medida magnetoeléctrico (cuadro móvil)

Instrumentos de CC

Aparato de medida Instrumentos de magnetoeléctrico (imán CC móvil)

Aparato de medida Instrumentos de electromagnetoeléctrico CC y CA

Aparato de medida de inducción

Instrumentos de CA

Aparato de medida electrotérmico

Instrumentos de CC y CA

Aparato de medida electrodinámico

Instrumentos de CC y CA

Símbolos de tipos de corriente en las escalas: Símbolo

Tipos de corriente

Aplicación

Corriente continua

Aparato de CC

Corriente continua y alterna

Aparato de CC y CA

Corriente alterna

Aparato de CA

Aparato trifásico con un circuito medidor

Vatímetros trifásicos para redes equilibradas