Unidad Nº 3: Instrumentos de Medición
Las magnitudes generales, como las magnitudes eléctricas (resistencia, corriente, tensión, etc.), son susceptibles de medición. Para ello, se utilizan instrumentos que suministran una indicación en una escala graduada, la cual guarda cierta proporcionalidad con la magnitud a medir. Un ejemplo donde se aprecian los principios básicos que rigen a todos los instrumentos corresponde a la siguiente figura (Nota: La figura no está presente en el texto original).
Si se desea pesar un cuerpo, se puede emplear la balanza de resorte, con una aguja que suministra la lectura sobre una escala graduada en gramos. Al actuar sobre el gancho de la balanza una fuerza que llamaremos fuerza motora (porque es igual al peso del cuerpo), el resorte se extiende realizando una fuerza contraria a la motora, llamada fuerza antagónica. El índice de la balanza se detiene sobre un punto de la escala. Esto se realiza colgando pesos conocidos y marcando el lugar donde el índice de la escala se detiene; este proceso se llama tarado del instrumento. Es decir, para realizar mediciones de cantidades de cualquier naturaleza, debemos hacer que ellas produzcan una fuerza motora y original o contrarrestar dicha fuerza con una antagónica para que el índice de la escala llegue al equilibrio.
En la práctica, en los instrumentos de mediciones eléctricas, el movimiento producido no es rectilíneo, sino que es un movimiento curvilíneo, por lo que las escalas son arcos de círculos. Por las características de estos movimientos, la fuerza motora es reemplazada por una cupla motora y la fuerza antagónica por una cupla antagónica. Se define como cupla el producto de una fuerza por la distancia que la separa del eje de giro, y se llama también momento de giro.
Clasificación de los Instrumentos
Según los efectos de la corriente eléctrica, los instrumentos se pueden clasificar en:
- Instrumentos basados en el efecto electrodinámico:
- Bobina móvil simple para C.C.
- Con rectificador para C.C. y C.A.
- Imán móvil para C.C.
- Hierro móvil (succión/repulsión) para C.C. y C.A.
- Instrumentos basados en efectos caloríficos:
- Termoconvertidores para C.C. y C.A.
- Bimetálicos para C.C. y C.A.
- Instrumentos basados en efecto electrostático:
- Electrostáticos para C.C. y C.A.
- Instrumentos basados en efecto de inducción:
- Inducción para C.A.
- Campo giratorio para C.A.
Nota: C.C. significa Corriente Continua (D.C.) y C.A. significa Corriente Alterna.
Partes de un Instrumento
El instrumento de medición está formado por el dispositivo medidor, llamado órgano móvil, cuyo movimiento depende de la magnitud a medir. Otro elemento es la carcasa que lo contiene, sobre la cual se fijan las escalas. También incluye accesorios de circuitos de medición, que pueden ser resistencias, llaves, puntas de prueba, soportes, etc.
Sensibilidad
Es la relación que existe entre un desplazamiento o desviación de la aguja observado en el instrumento y la variación de la magnitud que se mide y que ha originado dicha desviación.
Origen de la Desviación: Momento Desviador Eléctrico
El dispositivo medidor consta de una parte fija y de otra móvil. La magnitud eléctrica que se ha de medir produce en ambas partes una fuerza y un momento de giro eléctrico (o cupla desviadora) que trata de separar la parte móvil de su posición de reposo mediante un movimiento de giro.
Momento Antagónico
El momento desviador eléctrico se mide mediante otro momento que obra en sentido opuesto. Este momento antagónico debe depender de la desviación y debe aumentar cuando esta aumenta.
Los momentos antagónicos se realizan mediante la torsión de un resorte espiral o en suspensión, o bien mediante acciones electrodinámicas.
Amortiguación
La amortiguación es una operación que detiene las oscilaciones de la aguja indicadora de la medición. Cuando las fuerzas producidas por el elemento a medir (fuerzas motoras) tienden a colocar la aguja en una posición de equilibrio gracias a la fuerza que genera el instrumento de medición (fuerza antagónica), la aguja no permanece inmediatamente en la posición de equilibrio, ya que debido a la propiedad de inercia oscila alrededor del punto de equilibrio. Para disminuir la oscilación, se realizan los siguientes tipos de amortiguación:
A – Amortiguación por Aire
Un pistón o una aleta unido al sistema móvil se mueve en un cilindro o cámara de aire, respectivamente. Al moverse el pistón o la aleta, se comprime el aire entre el pistón o aletas y el cilindro o cámara, consiguiendo de esta manera el efecto amortiguador.
B – Amortiguación por Líquido
Los sistemas anteriores se pueden utilizar también con líquidos; estos pueden ser aceites o glicerina. La amortiguación es mucho más intensa que la anterior.
C – Amortiguación Electromagnética
Se utiliza para la amortiguación o frenado un fenómeno electromagnético denominado de corrientes parásitas o de Foucault. Este sistema consiste en un elemento móvil, típicamente un disco de aluminio, que se mueve entre dos polos (norte y sur) que generan un fuerte campo magnético.
Al empezar a moverse el disco, y al ser este un material conductor, se induce en el mismo una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida que a su vez genera las corrientes parásitas o de Foucault. Al existir una corriente eléctrica (las corrientes parásitas) en un fuerte campo magnético, aparece una fuerza electromagnética que tiende a oponerse al movimiento del disco, a la causa que lo genera. Esto se conoce como la Ley de Lenz. Esta fuerza será tanto más intensa cuanto más rápido gire el disco y cuanto más alejado se encuentre del centro del disco.
(Nota: La siguiente frase parece referirse a la regla de la mano derecha o izquierda, pero está incompleta y fuera de contexto directo con la amortiguación. Se mantiene tal cual por la restricción de no eliminar contenido). Para la palma de la mano debe ingresar las líneas de campo magnético, los dedos indican el sentido de circulación de la corriente y el pulgar extendido indica la dirección de la fuerza.
Instrumento de Inducción (Tipo Ferraris)
Este tipo de instrumento consta de 4 polos, construidos de chapa de hierro (para evitar las pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault) montados en una carcasa. Sobre cada polo van montadas bobinas y la conexión de las mismas es cruzada. En serie con una de estas conexiones se conecta una reactancia, para producir un desfasaje entre ambas corrientes, dando lugar a que se origine un campo giratorio. Este campo giratorio arrastra un tambor de aluminio produciendo un momento de giro debido fundamentalmente a las corrientes inducidas sobre el tambor.
Se utiliza una carcasa de chapa para evitar las influencias de campos extraños. Las bobinas fijas son dos y se hallan en una carcasa de chapa para evitar el efecto Foucault. La precisión medida es menor debido a la presencia de hierro.
El par antagónico es originado por unos resortes o espiral. La amortiguación es generada por un imán permanente, que está colocado sobre un disco de aluminio solidario con el tambor giratorio. Este instrumento es utilizado exclusivamente para mediciones en corriente alterna (C.A.). En estas mediciones se debe tener muy en cuenta la frecuencia de las magnitudes a medir, ya que la potencia depende fundamentalmente de la frecuencia.
Instrumento de Bobina Cruzada
Entre 2 polos de un imán permanente se colocan 2 bobinas giratorias entre sí. Ambas están dispuestas en cruz sobre un mismo eje. Cada una de las bobinas está conectada a una determinada tensión. El campo de cada bobina interactúa con el campo del imán permanente.
Si la tensión de ambas bobinas son iguales, los campos serán opuestos, neutralizándose entre ambos. De esta manera, la aguja se detendrá en el punto medio de la escala, es decir, que el punto cero se mantiene por neutralización eléctrica y por los resortes (Nota: la frase «nuconeca» parece un error, se interpreta como «nunca conectados» o similar, pero se mantiene la idea original). Cuando las tensiones son distintas, se engendran fuerzas desiguales y, debido a la debilidad del campo magnético, se produce un desplazamiento en uno o en otro sentido. El instrumento de bobina cruzada indica solamente desigualdad de tensión.
Para ello, se conducen al instrumento las tensiones que provee un transductor, el cual es un dispositivo sensible a las diferencias de presión o temperatura, variando el valor de su tensión al variar dichos valores.
Instrumento de Hierro Móvil
En el interior de una bobina se disponen 2 chapas de hierro dulce, una fija y otra móvil giratoria. Al circular una corriente por la bobina, ambas chapas quedan magnetizadas con polaridades iguales, por lo que se repelen, generando la chapa móvil un determinado arco. Si se invierte el sentido de la corriente en la bobina, se invierte también simultáneamente la magnetización en las 2 chapas, por lo que el sentido del giro sigue siendo el mismo. En consecuencia, estos instrumentos de hierro móvil sirven tanto para corriente continua (C.C.) como para corriente alterna (C.A.), por lo que se pueden emplear como voltímetro o amperímetro.
La fuerza magnética sobre la chapa móvil crea un par o momento de fuerza en el eje del aparato indicador. El valor de este par no es proporcional a la intensidad de corriente, sino que depende del cuadrado de la intensidad de corriente que circula por la bobina. Es decir, una intensidad 3 veces mayor origina un par 9 veces mayor (3 al cuadrado) y, por lo tanto, una desviación de la aguja mayor (Nota: el texto original dice «par 2 veces mayor» y «desviación 2 veces mayor», lo cual es incorrecto para la dependencia cuadrática; se corrige la explicación manteniendo la idea de no proporcionalidad).
Por ello, las divisiones de las escalas están más juntas en los valores inferiores y más apartadas en los valores superiores.
El par antagónico en este instrumento lo origina un muelle de aire o líquido que lleva la aguja a la posición de cero al cesar el paso de corriente.
Al conectar la corriente, se originan vibraciones en el sistema de medida, por lo que la aguja tarda en inmovilizarse y con ello no podemos realizar una lectura rápida. Esto se subsana colocando un amortiguador.
Este consiste en una mariposa solidaria al eje de la aguja, de forma tal que se mueve en el interior de una caja cerrada, actuando de amortiguador el aire atrapado entre la aguja y la mariposa. Debido a la sencillez de construcción y por el hecho de ser muy robustos, estos instrumentos de hierro móvil son muy utilizados en las mediciones industriales.