INTRODUCCION

Hay muchos métodos e instrumentos diferentes que se emplean para medir la corriente y el voltaje. Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan variados como el voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y potenciómetros.

Los métodos para medir corrientes implican los instrumentos llamados amperímetros. Algunos amperímetros funcionan censando realmente la corriente, mientras que otros la determinan indirectamente a partir de una variable asociada como lo es el voltaje, el campo magnético o el calor.

Los medidores que determinan el voltaje y/o la corriente se pueden agrupar en dos clases generales: medidores analógicos y medidores digitales. Aquellos que implican mecanismos electromecánicos para mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua (es decir analógica) pertenecen a la clase analógica. En este capítulo se analizarán esos medidores analógicos, junto con la información básica conceptual, asociada con el funcionamiento de los medidores. Los medidores digitales.

Un amperímetro siempre se conecta en serie con una rama del circuito y mide la corriente que pasa a través de él. Un amperímetro ideal seria capaz de efectuar la medición sin cambiar o perturbar la corriente en la rama. (Esta medición sin perturbaciones seria posible si el medidor pareciera como un cortocircuito con respecto al flujo de corriente). Sin embargo, los amperímetros reales poseen siempre algo de resistencia interna y hacen que la corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor.

En forma inversa, un vóltímetro se conecta en paralelo con los elementos que se miden. Mide la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos en los cuales se conecta. Al igual que el amperímetro ideal, el voltímetro ideal no debería hacer cambiar la corriente y el voltaje en el circuito que se está midiendo Esta medición ideal del voltaje sólo se puede alcanzar si el voltímetro no toma corriente alguna del circuito de prueba (debería parecer como circuito abierto entre los dos puntos a los cuales se conecta). Sin embargo la mayoría de los voltímetros reales trabajan tomando una corriente pequeña, pero finita y por lo mismo también perturban el circuito de prueba hasta cierto grado. Más adelante se describirá la magnitud de los errores de medición originados por tales aspectos no ideales de los medidores reales.

MOVIMIENTO DE LOS MEDIDORES ELECTROMECANICOS

Movimiento del Galvanómetro de D`ArsonvaI

El mecanismo sensor más común que se emplea en los amperímetros y voltímetros electromecánicos es un dispositivo sensor de corriente. Este mecanismo fue desarrollado por D'Arsonval en 1881 y se llaman el movimiento deD'Arsonval o movimiento de imán permanente y bobina móvil. También se emplea en algunos óhmetros, medidores rectificadores de ca y puentes de impedancia. Su aplicación tan difundida se debe a su sensibilidad y exactitud extremas. Se pueden detectar corrientes de menos de 1 fA mediante instrumentos comerciales (Algunos instrumentos de laboratorio que se emplean en los movimientos de D'Arsonval pueden medir corrientes tan pequeñas como 1.0 x 10-13 A. El movimiento detecta la corriente empleando la fuerza que surge de la interacción de un campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La fuerza se emplea para generar un desplazamiento mecánico, que se mide en una de esa calibrada.

Las cargas que se mueven en forma perpendicular al flujo de un campo magnético experimentan una fuerza perpendicular tanto al flujo como a la dirección de movimiento de las cargas. Como la corriente que pasa por un conductor se debe a un movimiento de cargas, esas cargas estarán sujetas a la fuerza magnética si se orienta adecuadamente al conductor dentro de un campo magnético. La fuerza se transmite mediante las cargas a los átomos en el conductor. y se fuerza al conductor mismo a moverse. Como ejemplo, colóquese un conductor en un campo orientado como se muestra en la figura 4-1 a). La dirección de la fuerza en el conductor que lleva la corriente se encuentra fácilmente mediante la regla de la mano derecha. El dedo índice apunta en la dirección de la corriente convencional y el dedo medio apunta en la dirección del campo magnético. La ecuación vectorial que define a esta fuerza es

F=iL x B

siendo F a fuerza en newtons en el conductor, i es la corriente en amperes, L es la longitud del conductor en metros y B la intensidad del campo magnético en webers/metro cuadrado. El seno del ángulo entre L y B se representa por X. Cuando se emplea la regla de la mano derecha, el ángulo es 90° y el valor del seno es por lo tanto 1. Si la corriente fluye hacia arriba a través de este conductor. la fuerza hará que el alambre se mueva hacia la derecha. Si se dobla el conductor en forma de una bobina rectangular y se le suspende en el mismo campo magnético, la fuerza resultante sobre el conductor tenderá a hacer girar a la bobina como se indica en la figura 4-2 a).

En algunos medidores analógicos las escalas son no lineales. Esto se debe por lo general a que el campo magnético no es uniforme en toda la zona entre las piezas polares del imán [figura4-2 a)]. Para que la indicación del medidor sea exacta, la escala del medidor debe desviarse de la linealidad [figura 4-2 b)] para compensar esa falta de uniformidad del medidor.

El mecanismo o movimiento que patente D'Arsonval se basa en este principio y se muestra en la figura 4-3. Una bobina de alambre se fija a un eje que gira en dos cojinetes de joya. La bobina puede girar en un espacio entre un núcleo cilíndrico de hierro suave y dos piezas polares magnéticas. Las piezas polares crean el campo magnético y el núcleo de hierro restringe el campo al espacio de aire (entre el hierro y las piezas polares). Si se aplica una corriente a la bobina suspendida, la fuerza resultante hará que gire. A este giro se oponen dos resortes pequeños que originan un par (fuerza giratoria) que se opone al par magnético. Las fuerzas de los resortes se calibran de modo que una corriente conocida origine una rotación de ángulo conocido (también, los resortes sirven como conexiones eléctricas para la bobina). El puntero liviano muestra la cantidad de rotación sobre una escala calibrada.

La desviación de la aguja es directamente proporcional a la corriente que fluye en la bobina, siempre que el campo magnético sea uniforme y la tensión del resorte sea lineal. En ese caso, la escala del medidor también es lineal. La exactitud de los movimientos de D'Arsonval que se emplean en los medidores comunes de laboratorio es de aproximadamente el 1 por ciento de la lectura de la escala completa.

El par % (fuerza por distancia radial) desarrollado por una corriente determina la sensibilidad del movimiento. Mientras mayor sea el par para una corriente dada, menor será la corriente que se puede detectar. Este par depende del número de vueltas y la longitud L del conductor perpendicular al campo magnético y la intensidad, B) del campo magnético. La ecuación matemática para el par es:

D =f~r=B(2N¡)i~r =2NBIrI

Como a mayor número de vueltas en la bobina también aumenta la longitud general del conductor, esto a la vez aumenta la resistencia del movimiento. Así, este método de aumentar la sensibilidad de la bobina hace que sea un mecanismo menos que ideal.

Para asegurarse que un medidor pueda responder a las fuerzas que surgen de la cantidad que esté midiendo, se debe mantener tan baja como sea posible toda fricción que se oponga al giro de su miembro móvil. El miembro móvil del medidor se monta en un eje que gira y la fricción se presenta en los puntos donde descansa el eje. Para mantener al mínimo la fricción y al mismo tiempo mantener el eje debidamente centrado, se emplean cojinetes de joyas.

Otro método de soporte del movimiento del medidor, además del eje, cojinetes de joyas y el arreglo de los resortes, es el soporte de bando tenso. En él, el movimiento se suspende de dos bandas metálicas delgadas (figura 4-4). Las bandas, en lugar de los resortes, dan la conexión eléctrica y el par de restauración. Se obtiene la ventaja de que no hay fricción entre los pares en movimiento. Este método produce mediciones altamente repetibles. El soporte de banda tensa está sustituyendo al pivote de joyas en la mayoría de los usos.

Se emplean por lo común dos tipos de escalas con el movimiento de D'Arsonval las que tienen un cero en el centro [figura 4-5 a)] y las que tienen cero al extremo izquierdo de la escala (figura 4-5 b)]. (Los movimientos se ajustan para indicar cero en cada tipo de escala cuando no fluye corriente alguna. El tornillo que se muestra en ambas escalas se emplea para efectuar este ajuste.) La escala de la figura 4-5 a) se emplea en los instrumentos de cd que pueden detectar el flujo de corriente en cualquier dirección, o en instrumentos donde se desea detectar una falta de flujo de corriente (como en el puente de Wheatstone o en los circuitos de potenciómetros). La escala de la figura 4-5 b) indica una lectura en la escala sólo cuando pasa la corriente en una dirección a través de la bobina. Si la corriente pasa en la dirección opuesta, se obtiene una desviación abajo de cero. Para obtener una lectura positiva en esta situación, se deben invertir las conexiones de las puntas de prueba al movimiento. Esto invierte la dirección del flujo de la corriente a través del movimiento. La mayoría de los medidores con escalas como la de la figura 4-5 b) indican el modo correcto de conectar al medidor en el circuito mediante marcas de polaridad en las terminales del medidor.

En muchos procesos, se prefieren los medidores analógicos a los digitales debido a que se pueden determinar con un vistazo la magnitud de una variable del proceso y su velocidad de cambio y si está aumentando o disminuyendo. Esto es de especial utilidad cuando se observan variables que oscilan (como la cantidad de material que pasa por un tubo). En otro ejemplo, un piloto tratando de determinar la velocidad de descenso, observando un medidor digital tendría graves dificultades. También, hay veces que se emplean los indicadores analógicos para medir una variable de proceso que parece no tener relación con la corriente eléctrica. Por ejemplo, el nivel de oxigeno liquido en un tanque se puede medir con un sensor de capacitancia variable. El valor de la capacitancia se convierte a una corriente con un oscilador y un circuito adicional. El medidor que resulta se muestra en la figura 4-6

Movimiento del Electrodinamometro

EI movimiento del electrodinarnómetro se emplea en la construcción de voltímetros y amperímetros de gran exactitud, como wáttmetros y medidores de factor de potencia Al igual que el mecanismo de D'Arsonval, trabaja también como dispositivo sensor de corriente. Se pueden obtener exactitudes muy altas con el empleo de este mecanismo porque no utilizan materiales magnéticos (los cuales poseen propiedades no lineales).

En contraste con el movimiento de D'Arsonval, que emplea un imán permanente como fuente del campo magnético, el electrodinamómetro crea un campo magnético con la corriente que mide. Esta corriente pasa por dos devanados del campo y establece el campo magnético que interacciona con la corriente en la bobina móvil. La fuerza en esa bobina, debido a los campos magnéticos de las bobinas fijas, hace que gire la bobina móvil (figura 4-7). La bobina móvil se fija a un puntero que se mueve a lo largo de una escala marcada para indicar el valor de la cantidad que se esté midiendo. El conjunto completo del mecanismo se monta en una caja blindada de hierro para aislarlo de cualquier campo magnético parásito. Debido a que la corriente que se está midiendo determina tanto la intensidad del campo magnético como la interacción con la bobina móvil, la deflexión resultante del puntero es proporcional a 2. Al usuario para medir ca, el puntero toma una posición proporcional al promedio de la corriente elevada al cuadrado. La escala se puede calibrar para indicar la raíz cuadrada de esa cantidad (rms, valor efectivo). Nótese que la escala en el mecanismo del electrodinamómetro que se muestra en la figura 4-7 está marcada del mismo modo que un medidor típico de dinamómetro.

El movimiento del electrodinamómetro produce una lectura de gran exactitud, pero está limitado debido a sus necesidades de potencia. El campo magnético de los devanados estacionarios, producido por una corriente pequeña es mucho más débil que el campo permanente del movimiento de D`Arsonval. En la comparación típica 6 x l0-~ Wb/m2 contra 0.2 Wb/m2.) De este modo, la sensibilidad del electrodinamómetro es bastante baja. Cuando se emplea como voltímetro, la sensibilidad es. de los 30 ~/V lo cual, como se vería es muy baja.

AMPERIMETROS ANALOGICOS DE CD

Los amperímetros electromecánicos industriales y de laboratorio se emplean para medir corrientes desde 1 fA hasta varios cientos le amperes. La figura 4-8 muestra una fotografía del interior dc un amperímetro típico de cd. El movimiento de D'Arsonval se emplea en la mayoria de los amperímetro de cd como detector de corriente. Los medidores típicos para banco de laboratorio tienen exactitudes de aproximadamente 1 por ciento del valor de la escala completa debido a las inexactitudes del movimiento del medidor. Además de este error, la resistencia de la bobina del medidor introduce una desviación con respecto al comportamiento de un amperímetro ideal. El modelo que se emplea para describir un amperímetro real en términos de circuito equivalente es una resistencia R de igual valor que la resistencia de la bobina y los conductores del medidor en serie con un amperímetro ideal (que se supone que no tiene resistencia) (figura 4-9>.

Empleando este modelo, se puede calcular el error incurrido al introducir un amperímetro en un circuito, o se puede especificar la resistencia máxima permisible que haga que el amperímetro tenga un efecto insignificante en el circuito. Este efecto es semejante al efecto de la carga del voltímetro debido a que la resistencia adicional del medidor origina que fluya una corriente menor que el total en la rama del circuito que se está midiendo.

La sensibilidad dc un amperímetro indica la corriente mínima necesaria para una desviación de toda la escala. Los medidores con alta sensibilidad dan lecturas muy pequeñas a escala completa Los medidores comerciales emplean movimientos que tienen sensibilidades tan pequeñas como 1 ¡tA. Sin embargo, 50 mA es el limite máximo que pueden manejar los resortes con buena exactitud. Para aumentar las posibilidades de medición de los ampérimetros de cd más allá de este limite máximo, se deben emplear los shunts o ''resistencias en paralelo''.

Ln shunt es un trayecto de baja resistencia conectado en paralelo con el movimiento del medidor, La figura 4-II a) muestra un amperímetro con un ðshunt. El sliunt permite que una fracción especifica de la corriente que pasa por la rama dcl circuito rodee el movimiento del medidor. Si se sabe con exactitud cómo se divide la corriente, la fracción de ésta que pasa por el movimiento puede indicar la corriente total que pasa por la rama en la que se conecta el medidor.

Muchos amperímetros son instrumentos de rango múltiple. Algunos de ellos implican varias terminales externas (bordes de conexión) para cambiar de rango; otros emplean un interruptor giratorio. Si se emplea un interruptor giratorio para cambiar de rango [como se muestra en la figura 4-II 5)], el polo de interruptor debe hacer contacto con la resistencia vecina antes de romper el contacto con la resistencia que se esté empleando. Con este tipo de interruptor en cortocircuito se tiene la seguridad de que el movimiento no estará sujeto accidentalmente a toda la corriente de la rama. Por lo general, los sbunts están montados dentro del instrumento en medidores que pueden medir hasta 50 A. Los amperímetros para rangos mayores emplean shunts externos de alta corriente fabricados con materiales especiales que mantienen su estabilidad y una resistencia constante) en un amplio rango de temperaturas.

La ñgura4-l2 muestra dos shunts externos que se emplean con frecuencia en los amperímetro. Cada uno tiene una capacidad especifica de corriente y de caída de voltaje. Por ejemplo un slíunt de l00 A y 50 mv está diseñado para una caída de voltaje de 50 mv entre sus extremos cuando pasa por él una corriente de lOO A. Así, cualquier medidor que tenga una escala total de 50 mV se puede emplear para determinar la corriente en ese slíunt.

La corriente se alimenta al shunt mediante terminales con capacidad para grandes corrientes. Estas terminales de uso rudo se emplean para mantener la resistencia de contacto de esa conexión tan baja como sea posible. La caída de voltaje a través del sliunt se mide por el movimiento del medidor que está conectado a los dos terminales internas del potencial al medir la caída de voltaje entre las terminales de potencial, se elimina el efecto de cualquier resistencia de contacto en el valor medido.

Los dos pesados bloques de cobre que constituyen los extremos del sbunt están soldados a hojas de material resistivo como muestra la figura 4-12 b>. Este material resistivo se escoge especialmente para mantener un valor constante de resistencia, aun con cambios en su temperatura. Los shunts externos de precisión se fabrican en rangos desde 0.l hasta 2000 A con exactitudes de 0.1 por ciento.

VOLTIMETROS ANALOGICOS DE CD

La mayor parte de los voltímetros emplean también el movimiento de D'Arsonval. Este movimiento se puede considerar en si mismo un voltimetro, si se considera que la corriente que pasa por él, multiplicada por su resistencia interna, origina una determinada caída de voltaje. Por ejemplo, un movimiento con escala máxima tiene una caída de 50 mV cuando fluye 1 mA a través de él. Si la escala indica volts en lugar de amperes, el movimiento actúa como un voltímetro de 50 mv. Para aumentar el voltaje que se puede medir mediante ese instrumento, se agrega una resistencia más en serie a la resistencia propia del medidor. La resistencia adicional (que se llama un multiplicador) limita la corriente que pasa por el circuito del medidor (figura 4-13 a)]

Para construir un voltímetro de múltiples rangos, se puede emplear un interruptor que conecte resistencias de varias magnitudes en serie con el movimiento del medidor [figura 4-13 b)]. Para obtener una defleción hacia los valores altos de la escala, los bordes se deben conectar con el voltímetro con la misma polaridad que las marcas de las terminales. Los voltímetros típicos de cd de laboratorio tienen exactitudes de 1 por ciento de la escala completa.

La sensibilidad de un voltímetro se puede especificar por el voltaje necesario para una deflexión de escala completa. Pero otro criterio de sensibilidad, que se usa ampliamente, es la capacidad de ohms por volts. Para cada rango de voltaje, la resistencia total exhibida por el voltímetro, RT dividida por el voltaje de la escala completa, da una cociente S. Este cociente es una constante para el voltímetro y se llama la relación de ohms/vol. El método más fácil para calcular S es encontrar el reciproco de la sensibilidad de corriente del movimiento que se esté usando en el voltímetro.

La sensibilidad en ohms/volt es en realidad una indicación de qué tanto se acerca un vóltrnetro real al comportamiento de un voltímetro ideal. Un voltímetro ideal tendría una relación ohms/volts infinita y partiría al circuito que se está midiendo como una resistencia infinita (o circuito abierto). Los voltímetros básicos, típicos de laboratorio, tienen una sensibilidad de 20,000 V.

Como el voltímetro no es ideal, toma algo de corriente del circuito que está midiendo. Si se emplea un medidor de baja sensibilidad (pequeño valor en ohms/volt) para medir el voltaje a través de una gran resistencia, el medidor se comportará en realidad corno una resistencia en derivación y reducirá la resistencia equivalente de la rama. El resultado será una medición muy poco confiable. La perturbación del circuito causada por la corriente que esté tomando un voltímetro se llama efecto de carga.

Un ejemplo muestra que el medidor con la mayor sensibilidad en ohms/volt dará la lectura más confiable en términos del error posible de carga. Se puede usar el mismo tipo de cálculo para determinar qué tan sensible debe ser un voltímetro si se necesita reducir el error de carga a determinado porcentaje máximo del valor correcto. También se hace notar que el error de carga que se puede presentar al medir los voltajes en circuitos de alta resistencia puede ser con frecuencia mucho mayor que el error debido a otras inexactitudes inherentes al medidor. En algunos de esos casos, se pueden obtener indicaciones exactas sólo con voltímetros del tipo electrónico que tienen resistencia de entrada de lo M o más. Como regla práctica, para reducir el error de carga de la indicación del voltámetro a menos del 1 por ciento, la resistencia del voltímetro debe ser a menos 100 veces mayor que la resistencia del trayecto a través del cual se ha de medir el voltaje.