MEDICIONES ELÉCTRICAS

ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA

IPEM 250 “Dr Juan Bialet Massé”

AÑO 2007

Concepto de medida

Medir es comparar una medida determinada con otra que tomamos como unidad.

De acuerdo con la anterior definición, es necesario que las unidades de referencia sean aceptadas de forma general por la comunidad científica internacional. A principios del siglo XX se fueron unificando estos patrones de medidas por la Comisión Internacional de Pesas y Medidas, que estructuraron el Sistema Internacional de Medidas, más conocido como Sistema GIORGI.

En el campo de las medidas eléctricas hay que distinguir dos tipos de medidas: medidas de tipo industrial y medidas de laboratorio.

Medidas industriales: son aquellas que se realizan directamente sobre el montaje o instalación eléctrica. Para realizarlas se necesitan aparatos que sean prácticos, con la posibilidad de ser tanto fijos como portátiles.

Medidas de laboratorio: son aquellas que se realizan en condiciones idóneas y distintas de las ambientales. Se utilizan para verificar el funcionamiento de los aparatos de medida o para el diseño de aparatos y circuitos; estos aparatos suelen tener una mayor precisión que los utilizados en la industria, motivo por el cual son más delicados y costosos.

Definición de aparatos de medida

Son aparatos que miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia.

La información se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohmios, volts, ampers, coulombs, henrys, faradios, watts o joules. Dado que todas las formas de la materia presentan una o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un número ilimitado de fuentes.

Por su propia naturaleza, los valores eléctricos no pueden medirse por observación directa. Por ello se utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible de ser detectada y medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, el instrumento de medida inventado hace más tiempo, la fuerza que se produce entre un campo magnético y una bobina inclinada por la que pasa una corriente produce una desviación de la bobina.

Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la corriente se utiliza una escala calibrada para medir la corriente eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas eléctricas y el calentamiento causado por una resistencia conductora son algunos de los métodos utilizados para obtener mediciones eléctricas analógicas.

Clasificación de los aparatos de medición

Instrumentos de bobina móvil

Sistema D'Arsonval

En la Figura 1.2 puede apreciarse un sistema móvil de este tipo. Utiliza una bobina que termina en un par de resortes antagónicos en espiral. (Figura 1.3 A), a través de los cuales circula la corriente a medir. La bobina, o cuadro móvil, está dentro del campo magnético casi homogéneo que produce un imán permanente y se desplaza con un movimiento giratorio (Figura 1.3 B).

El ángulo de rotación es proporcional a la corriente que circula por la bobina. Una aguja, vinculada con el cuadro móvil, indica la posición de éste sobre una escala calibrada en términos de corriente o voltaje. Este mecanismo indicador sólo responde a la corriente continua y presenta una calibración casi lineal, como se aprecia en la Figura 1.1 A, El "shunt" magnético, que altera la intensidad del campo, se emplea para la calibración.

Fig. 1.2. Sistema indicador D'Arsonval.

Instrumentos de hierro móvil

Sistema de hierro móvil

Es el menos costoso de todos los indicadores de lectura directa. Su funcionamiento depende de la atracción o repulsión mutua entre dos segmentos de hierro dulce expuestos al campo magnético -de un solenoide recorrido por la corriente a medir (Figura 1. 6). El mecanismo puede diseñarse para medir CC o CA y sus características de calibración dependen de la forma y ubicación de los segmentos de hierro. Es un indicador particularmente apropiado para medir valor efectivo.

El mecanismo que se presenta en la Figura 1 -7 es, probablemente, el ejemplo más común de indicadores de hierro móvil. Una paleta fija (Figura 1.8) repele a otra móvil en una medida que depende de la corriente que circula por la bobina.

En instrumentos económicos, el resorte espiral que actúa como carga de retroceso de la aguja indicadora se reemplaza a veces por un imán permanente que actúa como fuerza opositora a la de deflexión. Puesto que estos instrumentos son muy sensibles a las deformaciones del campo magnético, producidas por masas cercanas de hierro o acero, deben estar bien blindados.

Fig. 1.6. Principios del sistema de hierro móvil.

Fig. 1.7 - Sistema de hierro móvil.

Fig. 1.8. Relación entre las lengüetas estacionaria y móvil.

Instrumentos electrodinámicos

Sistema electrodinámico o dinamométrico

El mecanismo dinamométrico representado en la Figura 1.4 es muy semejante al sistema D'Arsonval, pero en vez de utilizar un imán permanente emplea una segunda bobina a través de la cual circula la misma corriente que pasa por la bobina móvil (Figura 1.5).

Este tipo de mecanismo indicador puede utilizarse tanto para mediciones de CA como de CC, pero su escala tiene una calibración que sigue una ley cuadrática, como se representa en la Figura 1.1 B.

Fig. 1.4. Sistema dinamométrico.

Fig. 1.5. Principios del mecanismo dinamométrico: (A) conjunto de las dos bobinas y (B) movimiento de rotación.

Instrumentos electroestáticos

Sistema electrostático

A diferencia de los anteriores indicadores, el electrostático sólo mide diferencia de potencial (voltaje). Su funcionamiento se basa en la atracción o repulsión de las fuerzas que aparecen entre electrodos cargados con polaridades iguales u opuestas (Figura 1. 10). Se lo emplea para la medición de elevados voltajes de CC o CA y la escala tiene

una calibración alineal. Su característica más sobresaliente es la elevada impedancia de entrada.

Fig. 1.10. Principios del voltímetro electrostático.

Instrumentos de inducción (medidor de energía eléctrica)

Magnitudes eléctricas

Corriente, tensión y resistencia

Corriente eléctrica, es el movimiento o paso de electricidad a lo largo del circuito eléctrico desde el generador de electricidad hasta el aparato donde se va a utilizar, que llamaremos receptor, a través de los conductores.

Para que se origine la corriente eléctrica es necesario que en el generador se produzca una fuerza electromotriz que cree una diferencia de potencial entre los terminales o polos del generador.

A esta diferencia de potencial se le llama tensión o voltaje y se mide en VOLTIOS (V).

La cantidad de electricidad que pasa por un conductor en un segundo se llama intensidad de la corriente y se mide en AMPERIOS (A).

La dificultad que ofrece el conductor al paso de una corriente eléctrica se llama resistencia eléctrica y se mide en OHMIOS ( ).

Así pues, tras definir estas magnitudes podemos relacionarlas por medio de la llamada LEY DE OHM, que nos dice que la intensidad es directamente proporcional a la tensión o voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. Es decir que la intensidad crece cuando aumenta la tensión y disminuye cuando crece la resistencia.

Esto se expresa de la siguiente forma:

V = I * R y R = V / I

Sus unidades serán:

1 Amperio = 1 Voltio / 1 Ohmio

1 Voltio = 1 Amperio * 1 Ohmio

1 Ohmio = 1 Voltio / 1 Amperio

La unidad de intensidad es el Amperio (A), nombre dado en honor del físico francés Ampere, como en electrónica esta es una unidad muy grande para las corrientes que normalmente se controlan, definiremos sus submúltiplos mas empleados:

1 MILIAMPERIO = 10-3 Amperios

1 MICROAMPERIO = 10-6 Amperios

1 A = 1.000 mA = 1.000.000 uA

La unidad que nos mide la diferencia de potencial o tensión es el VOLTIO (V) llamado así en honor al físico italiano Volta, que descubrió la pila eléctrica. Para grandes potenciales se emplea el KILOVOLTIO y en los pequeños el MILIVOLTIO.

1 KILOVOLTIO = 103 Voltios

1 MILIVOLTIO = 10-3 Voltios

1 V = 0.001 KV = 1.000 mV

La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el OHMIO ( ), nombre dado en honor del físico alemán Ohm. Al ser una pequeña cantidad se emplean sus múltiplos:

1 KILOOHMIO = 103 Ohmios

1 MEGAOHMIO = 106 Ohmios

1 OHMIO = 0.001 K = 0.000001 M

Potencia eléctrica

La electricidad puede producir energía de diferentes tipos, siendo la cantidad que produce por unidad de tiempo, que suele ser el segundo, lo que se llama potencia.

La unidad fundamental que mide la potencia desarrollada por un elemento es el VATIO (W).

El vatio (W) es la potencia que consume un elemento al que se le ha aplicado una tensión de un voltio y circula por el una intensidad de un amperio.

W = A * V y W = E * I

A = AmperiosV = Voltios

Como múltiplo más usual se emplea el:

1 KILOVATIO = 103 VATIOS

Como submúltiplo se utiliza el:

1 MILIVATIO = 10-3 VATIOS

Por lo tanto:

1 W = 1.000 mW = 0.001 Kw

Capacidad eléctrica

Un condensador es el conjunto formado por dos placas metálicas paralelas (armaduras) separadas entre si por una sustancia aislante (dieléctrico).

Aplicando una tensión a las placas del condensador, esta hará pasar los electrones de una armadura a otra, cargando el condensador.

La relación entre la carga eléctrica que adquieren las armaduras del condensador y el voltaje aplicado se denomina capacidad.

CAPACIDAD = CARGA / VOLTAJE

Siendo sus unidades:

Q = Culombios (1 Culombio = 1 Amperio / 1 Segundo)V = VoltiosC = Faradios (F), siendo esta la unidad fundamental de capacidad.

Por ser muy grande esta unidad para las capacidades normales empleadas se utilizan sus submúltiplos:

1 MICROFARADIO = 10-6 FARADIOS

1 NANOFARADIO = 10-9 FARADIOS

1 PICOFARADIO = 10-12 FARADIOS

Inducción

Además de las resistencias, los componentes reactivos, o sea, las bobinas y los condensadores, también se oponen a las corrientes en los circuitos de corriente alterna.

La inductancia (L) es la característica o propiedad que tiene una bobina de oponerse a los cambios de la corriente.

La cantidad de oposición que presenta una inductancia se llama reactancia inductiva y se mide en ohmios.

La unidad de inductancia es el Henrio (H). Por ser una unidad muy grande, para las medidas usuales se emplean sus submúltiplos:

1 MILIHENRIO = 1 mH = 10-3 H

1 MICROHENRIO = 1 uH = 10-6 H

SISTEMA MÉTRICO LEGAL ARGENTINO (SIMELA)Mediante la Ley Nacional 19.511 del 2 de marzo de 1972 se estableció el SIMELA(Sistema Métrico Legal Argentino) para uso oficial y privado, el que a su vez define unconjunto de Unidades de Base (fundamentales), a saberMAGNITUD UNIDAD SÍMBOLOLongitud metro mMasa kilogramo kgTiempo segundo sIntensidad de corriente amperio AIntensidad luminosa candela cdTemperatura termodinámi- kelvin KCantidad de materia mol mol

3.1.1.- Definiciones

Magnitudes eléctricas del Sistema Internacional

Magnitud Símbolo Sistema Internacional de Medidas

Aparato para su medición

Denominación Símbolo

Cantidad deelectricidad

Q Culombio C Galvanómetro

Corriente I Amperio A Amperímetro

Resistencia R Ohmio Ω Óhmetro, puentes

Tensión V Voltio V VoltímetroPotencia W Vatio W VatímetroEnergía J Joule J Contador de

energíaCapacidad C Faradio F CapacímetroFrecuencia F Hertzio Hz FrecuencímetroFactor de pòtencia

cos φ ------------------ cos φ Fasímetro

Múltiplos y SubmúltiplosPara ciertas aplicaciones en electrónica la unidad básica de algunas magnitudespuede parecer muy grande; en cambio la misma unidad para otras aplicaciones puedeparecer más bien pequeña. Por ejemplo, en circuitos de electrónica se trabaja con valoresde micro Ampere (0,000001 A ≡1 A), mientras que en plantas metalúrgicas es del ordende los kiloampere (1000 A ≡1 kA) .

Para no usar expresiones con tantos ceros se usan prefijos para indicar unidadesque son menores o mayores que la unidad básica (ver en 10.-. ANEXO: SÍMBOLOSSEGÚN NORMA IRAM 2023 (selección), pág. 23, la tabla de múltiplos y unidades, donde

se indican los prefijos y símbolos usados habitualmente en electricidad).

Prefijo Símbolo Factor de multiplicación

tera T 1012 1.000.000.000.000

giga G 109 1.000.000.000

mega M 106 1.000.000

kilo K 103 1.000

mili m 10-3 0.001

micro u 10-6 0.000001

nano n 10-9 0.000000001

pico p 10-12 0.000000000001

PATRONES ELÉCTRICOS♦PATRON DE FUERZA ELECTROMOTRIZ [PILA WESTON]: es una pila saturadaque tiene un potencial de 1,0183 V a 20 ºC. Este patrón de tensión no seutiliza para entregar energía por lo que solo se debe emplear como valor decomparación.♦OHM PATRON ABSOLUTO []: es la resistencia ofrecida al paso de una corrientede intensidad constante por una columna de mercurio a 0 ºC, de 1,063 mde longitud, de sección constante (aproximadamente de 1mm2) y de una masa

de 14,4521 gr.

Cualidades de los aparatos de medida

Sensibilidad: se define como el cociente entre la desviación de la aguja indicadora medida en grados y la variación de la magnitud que se está midiendo. Esta cualidad es específica de los aparatos analógicos.

Precisión: la precisión de un aparato de medida, esta íntimamente relacionada con su calidad. Es mas preciso un aparato cuanto mas parecido sea el valor indicado a la medida real de dicha magnitud.

Exactitud: es un concepto parecido al de precisión, pero no igual. Un aparato es mas exacto cuanto mas parecidos sean el valor medido y el valor real por extensión, un aparato exacto es, a su vez, preciso, pero un aparato preciso no tiene por que ser exacto.

Fidelidad: cuando al repetir varias veces la misma medida, el aparato da la misma indicación.

Rapidez: un aparato es rápido cuando se estabiliza en menos tiempo.

Resolución: el cambio más pequeño de valor que pueda detectarse en una medición se llama resolución. En los instrumentos análogos esto es difícil de definir. Puede ser algo que dependa del observador con respecto a la manera de describir el punto que marca una manecilla. En instrumentos digitales la resolución se define como el cambio de valor que ocasiona que el digito menos significativo se modifique. Un voltímetro de cuatro dígitos que mide de 0 a 199.9 mV, evidentemente puede resolver hasta 0.1 mV.

Cifras significativas: es el número de dígitos de una cantidad medida experimentalmente que expresa la precisión con que se conoce una medida. Es una indicación del grado de fiabilidad de la medida. Al usar cifras significativas se sobreentiende que el último digito es cierto. Una cifra es significativa cuando se conoce con una precisión aceptable.

Errores- Clase

Al realizar medidas, los resultados obtenidos pueden verse afectados. El resultado lleva implícito la posibilidad de errar en la lectura, por ello es necesario conocer con profundidad como se cometen los errores, para poderlos prever y minimizar, de manera que seamos nosotros los que valoremos la veracidad de la medida realizada.

Se llama error absoluto (Ea) a la diferencia entre el valor medido (Vm) y el valor verdadero (Vv) de la respectiva magnitud:

Ea= Vm - Vv

El valor verdadero es casi imposible de conocer. En la práctica puede tomarse como tal al hallado a través de un muestreo estadístico de un gran número de mediciones, que se adopta como valor verdadero convencional (Vvc), y el error correspondiente es el error absoluto convencional (Eac):

Eac= Vm - Vvc

De las fórmulas anteriores se desprende que el error absoluto será positivo cuando se mida en exceso y negativo cuando se lo haga en defecto.De aquí en más, por simplicidad, tomaremos como valor verdadero al valor verdadero convencional.El concepto de error absoluto no nos dá una idea clara de la bondad de la medición efectuada. Por ejemplo, es muy distinto cometer un error de 10 V al medir 13200 V, que al medir 220 V.

Por lo tanto, es conveniente referir el error absoluto al valor verdadero (o aquel tomado como tal), para poder comparar los resultados de las mediciones efectuadas, obteniéndose así el error relativo (Er) en tanto por uno:

Er= Ea / Vv = (Vm - Vv) / Vv

En valores porcentuales:

Er%= Ea . 100 / Vv = (Vm - Vv) . 100 / Vv

Para fijar ideas, cabe señalar que el error típico de una medición destinada a un tablero eléctrico ronda el 1,5 %, la de un laboratorio de ensayos fabriles es del 0,5 % y la de un laboratorio de calibración es menor del 0,1 %.

Teniendo en cuenta el error relativo los fabricantes establecen la "clase" del instrumento. Esta clasificación es una indicación del máximo error a fondo de escala, garantizado por el fabricante.

Así, los instrumentos poseen clase 0,5 cuando el fabricante garantiza un error no superior al 0,5% en lecturas a fondo de escala.

La clase a la que pertenece el instrumento designa su campo de aplicación, por ejemplo:

CLASE ERROR CAMPO DE

APLICACION0.25 0,25 % Mediciones de laboratorio0,5 0,5% Mediciones de laboratorio1 1% Instrumentos portátiles1,5 1,5% Instrumentos portátiles1,5 a 5 1,5 a 5% Instrumentos de tableros

para mediciones industriales

Por ejemplo, si un voltímetro es de clase 2 e indica a fondo de escala un valor de 100 volt (alcance del voltímetro), implica que en cualquier lectura que hagamos debemos tener en cuenta un error en mas o en menos de 100 x 2% = 2 voltios. Por ello, si la lectura efectuada es de X= 80 volt debemos indicar que el valor medido es de X= 80 ± 2 volt .

Clasificación de los errores

Antes de realizar una medición con un grupo de instrumentos dados, es importante determinar qué tipos de errores pueden presentarse, para saber si se está dentro de nuestros requerimientos de exactitud.

Los errores se pueden clasificar en errores groseros, errores sistemáticos y errores aleatorios (al azar).

1 - Errores groseros

Consisten en equivocaciones en las lecturas y registros de los datos. En general se originan en la fatiga del observador, en el error al transcribir los valores medidos a las planillas de los protocolos de ensayos, a la desconexión fortuita de alguna parte del circuito de medición, etcétera.

Estos errores se caracterizan por su gran magnitud, y pueden detectarse fácilmente al comparar varias mediciones de la misma magnitud. Por ello se aconseja siempre realizar al menos 3 (tres) mediciones repetidas.

2 - Errores sistemáticos

Se llaman así porque se repiten sistemáticamente en el mismo valor y sentido en todas las mediciones que se efectúan en iguales condiciones.

Las causas de estos errores están perfectamente determinadas y pueden ser corregidas mediante ecuaciones matemáticas que eliminen el error. En algunos casos pueden emplearse distintos artificios que hacen que la perturbación se auto elimine.

En virtud de las causas que originan este tipo de error, es conveniente realizar una subdivisión de los errores sistemáticos:

2.A - Errores que introducen los instrumentos o errores de ajuste.2. B - Errores debidos a la conexión de los instrumentos o errores de método.2. C - Errores por causas externas o errores por efecto de las magnitudes de influencia.2. D - Errores por la modalidad del observador o ecuación personal.

A continuación se analizarán cada uno de ellos:

2.A - Errores de ajuste

Estos errores son debidos a las imperfecciones en el diseño y construcción de los instrumentos. Mediante la calibración durante la construcción, se logra que para determinadas lecturas se haga coincidir las indicaciones del instrumento con valores obtenidos con un instrumento patrón local.

Sin embargo, por limitaciones técnicas y económicas, no se efectúa ese proceso en todas las divisiones de la escala. Esto origina ciertos desajustes en algunos valores de la

escala, que se mantienen constantes a lo largo del tiempo.

Estos errores repetitivos pueden ser medidos en módulo y signo a través del contraste, que es un ensayo consistente en comparar simultáneamente la indicación del instrumento con la indicación de un instrumento patrón de la más alta calidad metrológica (cuya indicación representa el valor verdadero convencional).

2. B - Errores de método

Los errores de método se originan en el principio de funcionamiento de los instrumentos de medición. Hay que considerar que el hecho de conectar un instrumento en un circuito, siempre origina algún tipo de perturbación en el mismo. Por ejemplo, en los instrumentos analógicos aparecen los errores de consumo, fase, etcétera.

Para corregir estos errores deben determinarse las características eléctricas de los instrumentos (resistencia, inductancia y capacidad). En algunos casos es posible el uso de sistemas de compensación, de forma tal de auto eliminar el efecto perturbador. Por ejemplo, en el caso del vatímetro compensado, que posee un arrollamiento auxiliar que contrarresta la medición del consumo propio.

2. C - Errores por efecto de las magnitudes de influencia.

El medio externo en que se instala un instrumento influye en el resultado de la medición. Una causa perturbadora muy común es la temperatura, y en mucha menor medida, la humedad y la presión atmosférica.

La forma de eliminar estos errores es mediante el uso de las ecuaciones físicas correspondientes, que en los instrumentos de precisión, vienen indicadas en la chapa que contiene la escala del mismo. En algunos casos, los instrumentos disponen de artificios constructivos que compensan la acción del medio externo. Por ejemplo, la instalación de resortes arrollados en sentidos contrarios, de manera que la dilatación térmica de uno de ellos se contrarresta por la acción opuesta del otro.

Por otra parte, la mejora tecnológica de las aleaciones utilizadas ha reducido mucho los efectos debidos a la acción de la temperatura ambiente.

2. D - Errores por la modalidad del observador

Cada observador tiene una forma característica de apreciar los fenómenos, y en particular, de efectuar lecturas en las mediciones. Lo curioso que nos muestra la experiencia, es que cada observador repite su modalidad en forma sistemática. De allí que se denomine a esta característica ecuación personal.

Por ejemplo, al medir tiempos un determinado observador registra los mismos con adelanto o retraso con respecto a otro observador.

3 - Errores aleatorios

Es un hecho conocido que al repetir una medición utilizando el mismo proceso de medición (el mismo instrumento, operador, excitación, método, etc.) no se logra el mismo resultado.

En este caso, los errores sistemáticos se mantienen constantes, y las diferencias obtenidas se deben a efectos fortuitos, denominados errores aleatorios (mal llamados accidentales).

Por ello, una característica general de los errores aleatorios es que no se repiten siempre en el mismo valor y sentido.

En virtud de las causas que originan este tipo de error, es conveniente realizar una subdivisión de los errores aleatorios:

3.A - Rozamientos internos.3. B - Acción externa combinada.3. C - Errores de apreciación de la indicación.3. D - Errores de truncamiento.

A continuación se analizarán cada uno de ellos:

3.A - Rozamientos internos

En los instrumentos analógicos se produce una falta de repetitibilidad en la respuesta, debido fundamentalmente a rozamientos internos en el sistema móvil. Asimismo, los falsos contactos también dan lugar a la aparición de este tipo de error.

3. B - Acción externa combinada

Muchas veces la compleja superposición de los efectos de las distintas magnitudes de influencia no permiten el conocimiento exacto de la ley matemática de variación del conjunto, por ser de difícil separación. De esta manera, no puede predecirse el error ni realizarse las correcciones debidas, convirtiéndose en un error aleatorio.

3. C - Errores de apreciación de la indicación

En muchas mediciones, el resultado se obtiene por la observación de un índice (o aguja) en una escala, originándose así errores de apreciación. Estos a su vez tienen dos causas diferentes que pasamos a explicar:

3.C.1 - Error de paralaje

Se origina en la falta de perpendicularidad entre el rayo visual del observador y la escala respectiva. Esta incertidumbre se puede reducir con la colocación de un espejo en la parte posterior del índice. Así la perpendicularidad del rayo visual se logrará cuando el observador no vea la imagen del mismo en el espejo.

3.C.2 - Error del límite separador del ojo

El ojo humano normal puede discriminar entre dos posiciones separadas a más de 0,1

mm, cuando se observa desde una distancia de 300 mm. Por lo tanto, si dos puntos están separados a menos de esa distancia no podrá distinguirlos.

La magnitud de este error es típicamente subjetiva, pues hay personas que tienen una visión mejor o peor que la normal.

Para disminuir este tipo de error se puede recurrir al uso de lentes de aumento en las lecturas.

3. D - Errores de truncamiento

En los instrumentos provistos con una indicación digital, la representación de la magnitud medida está limitada a un número reducido de dígitos.

Por lo tanto, en tales instrumentos no pueden apreciarse unidades menores que la del último dígito del visor (o display), lo que da lugar a un error por el truncamiento de los valores no representados.

Tipos de medición

Hay dos tipos de medición, mediciones directas e indirecta.

Mediciones directas

Las mediciones directas son aquellas en las cuales el resultado es obtenido directamente del instrumento que se está utilizando. Por ejemplo, para medir la corriente que circula por un circuito podemos utilizar un amperímetro apropiado.

Mediciones indirectas

Las mediciones indirectas son aquellas en que el resultado deseado no lo obtenemos directamente de las lecturas realizadas con los instrumentos utilizados, sino que es necesario emplear los datos obtenidos para hallar la cantidad deseada mediante algunos cálculos. Por ejemplo, el valor de una resistencia lo podemos determinar de la siguiente forma: Con un amperímetro medimos la corriente que circula por ella, y con un voltímetro la caída de voltaje entre sus terminales cuando circula la corriente medida anteriormente. Con estas dos lecturas podemos calcular la resistencia aplicando la ley de Ohm.

Conversor Analógico

DigitalLógica de Control

Display

Acondicionador de señal

Entrada

Multímetros

Existen dos tipos de multímetros: multímetros analógicos y multímetros digitales. El multímetro analógico, que también se lo conoce como Tester o Multitester, posee partes eléctricas y mecánicas; mientras que el Multímetro Digital es un instrumento completamente electrónico que está reemplazando al Tester por diversas razones: es más fácil de usar, su respuesta en tiempo es superior, no cambia la carga de la mayoría de los circuitos y son más baratos. Ambos aparatos suelen estar adaptados para otras funciones, como medir capacidades de condensadores, comprobar diodos y transistores, medir temperaturas a través de una termocupla, medir frecuencias, etc. Multímetros Digitales

Los Multímetros Digitales (MD), han tenido mucha aceptación como instrumentos de medición de uso general, reemplazando a otros tipos de aparatos de gran popularidad.La ventaja principal es la fácil manera de lectura que poseen: el resultado de la medición es automáticamente visualizada en un display digital (tipo 7 barras o alfanumérico), que incluye a su vez la coma, la polaridad y las unidades medidas.Muchos MD poseen “autorrango”, seleccionándose automáticamente el rango que da la máxima resolución. Todo ello resulta en un instrumento fácil de operar, reduciendo el error humano.Otra ventaja importante es que los MD tienen mayor resolución que los multímetros analógicos (MA). La mejor resolución esperada en estos es de una parte en 120 que, comparada con la de un multímetro MD de 3 dígitos, esta se reduce a una parte en 1000. Un MD de 6 dígitos resuelve una parte en 1 millón, y todos ellos son mas rápidos que cualquier analógico.Un multímetro analógico puede tomar 1 segundo o más para responder (lectura estable), mientras que un económico MD toma por lo menos 5 lecturas por segundo.Otros de más calidad lo hacen a 1000 lecturas por segundo. Una gran ventaja de los MD es que su lectura puede ser transmitida digitalmente sin perder exactitud alguna, pudiéndose además alimentar una computadora o aparato similar. También pueden ser programables.

Principio de funcionamientoLa tarea de un MD es la de convertir una señal analógica en una digital equivalente.La señal analógica puede ser una tensión de continua Vcc, una de alterna Vca, una R, o una corriente Icc o Ica, y en algunos MD pueden medirse capacidades y frecuencias.Para todo ello hace falta un diagrama como el de la siguiente figura , que consta de 4bloques. Entrada

Salida Digital

La señal debe pasar primero por un Acondicionador de Señales de entrada (AS).Si la señal es una Vcc, el acondicionador de señales (AS) debe constar de un atenuador para las señales grandes y un amplificador para las más débiles. Si se trata de una Vca esta debe ser convertida en una Vcc equivalente.Para medir una R se hace pasar una Icc y se mide la caída de tensión en la misma.Es decir, en casi todos los casos el bloque AS acondiciona la señal de entrada desconocida a una Vcc, que pueda ser manejada por los rangos del conversor analógico digital A/D a que se refiere el segundo bloque. La tarea del conversor A/D es entonces tomar esa señal preestablecida anteriormente, y convertirla en dígitos.

La conversión y atenuación son realizadas en el bloque AS. El tercer bloque “Lógica de Control”, maneja el flujo de información digital y acepta instrucciones de otros aparatos, mientras que el cuarto, “Display”, comunica visualmente el resultado de la medida realizada.

Funciones y escalasLos multímetros digitales se identifican principalmente por un panel numérico para leer los valores medidos, un selector de función y un selector de escala (algunos no tienen selector de escala pues el VOM la determina automáticamente).

En la figura se pueden apreciar:

1.- Pantalla LCD (liquid crystal display) de 4 dígitos con indicación automática de polaridad.2.- Cambiador de Función Rotatorio (Selector grande).3.- Terminales Jack (terminal de conexión) de medición, para los cuales se tiene:

3a ) Jack de medición de hasta 10 A (terminal rojo) para medir corrientes sobre los 200 mA.3b ) Jack COM - "-" (terminal negro).3c ) Jack V - Ohm - mA - "+" (terminal rojo).

4.- Cables de medición (rojo y negro).El selector de funciones sirve para escoger el tipo de medida que se realizará. Ejemplo:

Voltaje A.C. (ACV)Voltaje DC (DCV) Corriente AC (AC-mA)Corriente DC (DC-mA)Resistencia (Ω)

Voltaje en corriente alterna (en voltios)Voltaje en corriente directa (en voltios)Corriente alterna (en miliamperios)Corriente directa (en miliamperios)Resistencia (en ohmios / ohms)

El selector de rangos sirve para establecer la máxima lectura que se podrá visualizar (Si no se tiene una idea de la magnitud a medir empezar por el rango mas grande). Ejemplo:

Para medir28 Voltios2 Voltios.250 Voltios10 Voltios.12 Voltios2 Voltios180 Voltios.21 Voltios

Seleccionar el rango30V3V300V30V30V3V300V30V

Véase que se escoge siempre un rango superior al de la magnitud que se mide.

Rangos de medida para los resistores / resistencias en un multímetro

El selector de rango de las resistencias es diferente a la del voltaje y las corrientes. Siempre que la función este en ohmios el resultado medido será multiplicado por el factor que se muestra en el rango

Los rangos normales son: R X 1, R X 10, R X 100, R X 1K , R X 10K, R X 1M

Donde K significa Kiloohmios y M megaohmios

Un ejemplo práctico

Si en la pantalla de un multímetro digital o en la escala de uno analógico en función de medir una resistencia, se lee 4.7 y el rango muestra: x 1000, se tendría medida una resistencia de valor 4.7 x 1000 = 4700 ó 4.7 K (Kilohmios)

Los multímetros deben configurarse y conectarse apropiadamente dependiendo de lo que se quiera medir con ellos. Por lo cual poseen, principalmente, un selector de funciones, varios bornes de entrada y un selector de escala. Es entonces importante conocer como usarlos correctamente.

Veamos cual es la manera de medir voltajes, corrientes y resistencias.

OPERACIONES BÁSICAS DE MEDICIÓN

Medición de Voltajes

El multímetro se puede usar como voltímetro; esto es, para medir diferencias de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico (la unidad del voltaje es el Voltio (V)).

El voltímetro debe conectarse en paralelo en el circuito (Figura 1), porque su resistencia interna es muy grande, de tal manera que la corriente que pasa a través de él es muy pequeña, así, su presencia no modifica significativamente el circuito.

Los multímetros pueden medir tanto voltajes en circuitos de corriente directa o continua, simbolizada como “DC” ó “-”, como de corriente alterna, simbolizada como “AC” ó “~”. Por ello, dependiendo del tipo de corriente, se debe elegir una de estas dos opciones en el correspondiente selector de funciones, también se debe escoger la escala y colocar las puntas de medición en los bornes apropiados.

FIG 1

En el caso de corriente alterna, la cual cambia de valor y dirección periódicamente, el voltímetro nos indica el valor cuadrático medio del voltaje, comúnmente llamado Voltaje RMS.

Para ondas sinusoidales el Voltaje RMS viene dado por:

donde Vp es el voltaje máximo.

Mediciones de corriente

El multímetro también se puede utilizar como amperímetro para medir la corriente en una rama de un circuito (la unidad de la corriente es el Amper (A)).

Se selecciona, en el multímetro que estemos utilizando, la unidad (amper) en DC (c.d.). Se revisa que los cables rojo y negro estén conectados correctamente.

Se selecciona la escala adecuada, si tiene selector de escala (si no tenemos idea de que magnitud de la corriente que vamos a medir, escoger la escala más grande). Si no tiene selector de escala seguramente el multímetro escoge la escala automáticamente.

Para medir una corriente con el multímetro, éste tiene que ubicarse en el paso de la corriente que se desea medir. Para esto se abre el circuito en el lugar donde pasa la corriente a medir y conectamos el multímetro (lo ponemos en "serie"). Si la lectura es negativa significa que la corriente en el componente, circula en sentido opuesto al que se había supuesto, (Normalmente se supone que por el cable rojo entra la corriente al multímetro y por el cable negro sale) .

El amperímetro debe conectarse en serie en el circuito como lo muestra la figura 2 .La resistencia interna del amperímetro es muy pequeña para que no modifique el circuito, significativamente. FIG 2

En algunas ocasiones no es posible abrir el circuito para colocar el amperímetro. En estos casos, si se desea averiguar la corriente que pasa por un elemento, se utiliza la Ley de Ohm. Se mide la tensión que hay entre los terminales del elemento por el cual pasa la corriente que se desea averiguar y después, con la ayuda de la Ley de Ohm (V = I x R), se obtiene la corriente (I = V / R). Para obtener una buena medición, se debe tener los valores exactos tanto de la tensión como de la resistencia.

Igual que el voltímetro, el amperímetro puede ser usado para medir corrientes en circuitos de corriente directa y de corriente alterna; como antes, se debe seleccionar la opción deseada, escoger la escala y colocar las puntas de prueba apropiadamente. Para el caso de corriente alterna, la corriente que mide el amperímetro es la RMS, la cual se define similarmente al voltaje RMS.

El terminal COM se conecta al circuito con el cable negro y luego se conecta con el cable rojo a la entrada mA para medir corrientes menores a 200mA, o a la entrada 10 A para medir corrientes entre 200mA y 10 A.

Mediciones de resistencias

Otra de las aplicaciones comunes del multímetro es usarlo como ohmetro; es decir, para medir la resistencia de un elemento eléctrico. La unidad de resistencia es Ohm(). Para medir resistencia, debe conectarse como lo indican la figura 3. El ohmetro nunca debe conectarse a un circuito con la fuente de energía activada. En general, la resistencia debe ser aislada del circuito para medirla.

FIG 3

Precauciones al realizar la medición

Como regla general podemos decir que, como al medir operamos sobre circuitos bajo tensiones peligrosas (salvo en el caso del óhmetro), la primera precaución debe ser la seguridad del operador a fin de prevenir daños o lesiones personales.

La principal de ellas es evitar entrar en contacto con las partes bajo tensión, para lo cual es fundamental no conectar el circuito a la fuente antes de haber concluido y verificado todos los conexionados. Ello evitará igualmente que se dañen o destruyan instrumentos y/o componentes del circuito a medir.

La segunda precaución de tipo general es tener una idea aproximada del orden de magnitud de lo que queremos medir para poder elegir instrumentos de rango ade-cuado: si el valor a fondo de escala (alcance) es inferior a la magnitud de la variable a medir éste se quemará.

Si por el contrario el alcance del instrumento es muy superior, no estaremos midiendo con el último tercio de la escala y por consiguiente el error relativo que tendrán los valores leídos será mayor. Si no tenemos seguridad sobre el orden de magnitud comenzar con la escala de mayor alcance para luego ir bajando.

Resumiendo:¿Qué debo tener en cuenta cuando me dispongo a medir ? a) La magnitud a medir y su orden de magnitud. b) Si el circuito está alimentado por corriente continua o alternada;

c) El grado de exactitud que requiere la medición; d) El lugar donde voy a efectuar la medición; e) El método que voy a emplear. f) La forma en que se deben conectar los instrumentos Con esta información estoy en condiciones de seleccionar el o los instrumentos adecuados, teniendo presente exactamente qué es lo que me miden y en qué unidades.

Un amperímetro consiste básicamente, en un galvanómetro con un shunt o resistencia en paralelo con la bobina, de magnitud lo suficientemente pequeña como para conseguir que prácticamente toda, la corriente se desvíe por ella y que el aparato de Medida perturbe lo menos posible las condiciones del circuito. Los amperímetros se conectan en serie con el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se desea medir la intensidad de corriente.

Contenido:

EL AMPERÍMETRO

El amperímetro es una aplicaciòn natural del galvanómetro, normalmente la bobina del galvanómetro se construye con alambre muy delgado y hasta un máximo de vueltas, lo que origina sus limitaciones. Los amperímetros se dividen por su capacidad de medición en:

Amperímetros (amperes)

Miliamperimetros (milésimas de amperes)

Microamperímetros (millonésimos de amperes)

Figura 1.1 Amperimetro

Pero aun dentro de cualquiera de estas capacidades tendrán limitaciones debidas al método con que se construyen. Por lo que es necesario ampliar sus rangos de operación o respuesta.

La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un circuito eléctrico. Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide corriente. La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a que éste debe conectarse a la corriente. Los alambres deben cortarse para realizar las conexiones en el amperímetro.

Cuando use este instrumento para medir corrientes continuas, asegúrese de conectar la polaridad correctamnete. Idealmente, un amperímetro debe tener resistencia cero de manera que no altere la corriente que se va a medir. Esta condición requiere que la resistencia del amperímetro sea pequeña comparada con R, + R2. Puesto que cualquier amperímetro tiene siempre alguna resistencia, su presencia en el circuito reduce ligeramente la corriente respecto de su valor cuando el amperímetro no está presente.

Amperímetro de bobina móvil. La bobina móvil, teniendo en cuenta su delicada construcción, no puede conducir más que una pequeña fracción de amperío. Para valores mayores, la mayor parte de la corriente se hace por una derivación, o shunt, de baja resistencia en paralelo con el instrumento. La escala, sin embargo, se calibra generalmente para leer en ella la corriente total 1, aun cuando la corriente, que pasa por la bobina sea sólo de unos cuantos miliamperios.

Un voltímetro viene a ser un galvanómetro con una importante resistencia asociada en serie con él. El conjunto se conecta en paralelo o derivación entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. Si la resistencia total del voltímetro es mucho mayor que la del circuito, entre tales puntos la corriente se derivará en su mayor parte por el tramo que ofrece menor resistencia a su paso y sólo una fracción de ella atravesará el voltímetro. Con ello se logra que la perturbación que introduce en el circuito el aparato de medida sea despreciable.

Contenido:

EL VOLTÍMETRO

El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. La diferencia de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro. Para que este no influya en la medida, debe de desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande.

Se representa con el símbolo:

Figura 1.1

Un voltímetro esta constituido por un galvanómetro y una resistencia serie.

La resistencia interna del voltímetro es:

La diferencia de potencial se puede medir como:

Como rV es conocida, la medida de la intensidad I, permite obtener la diferencia de potencial. La resistencia serie debe de ser grande, para que la intensidad que circule por el voltímetro sea despreciable. Se puede cambiar de escala sin mas que cambiar la resistencia serie.

Un dispositivo que mide diferencias de potencial recibe el nombre de voltímetro. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el circuito puede medirse uniendo simplemente las terminales del voltímetro entre estos puntos sin romper el circuito. La diferencia de potencial en el resistor R2 se mide conectando el voltímetro en paralelo con R2. También en este caso, es necesario observar la polaridad del instrumento. La terminal positiva del voltímetro debe conectarse en el extremo del resistor al potencial más alto, y la terminal negativa al extremo del potencial más bajo del resistor. Un voltímetro ideal tiene resistencia infinita de manera que no circula corriente a través de él. Esta condición requiere que el voltímetro tenga una resistencia que es muy grande en relación con R2. En la práctica, si no se cumple esta condición, debe hacerse una corrección respecto de la resistencia conocida del voltímetro.

Voltímetro de bobina móvil. La mayoría de los voltímetros no miden la d.d.p. como tal, sino que toman una pequeña corriente de operación proporcional a aquélla; pueden considerarse por tanto como miliamperfmetros de alta resistencia, calibrados en voltios.

El voltímetro debe tomar solamente una corriente pequeña que no perturbe apreciablemente el circuito donde se conecta. La recíproca de la corriente total es usada a menudo como una medida de ,esta propiedad. En el ejemplo anterior la recíproca es 1/0.015 = 66.7, lo que significa que cualquiera que sea su gama, el voltímetro tiene una resistencia de 66.7 ohmios por cada voltio marcado en su escala; para instrumentos usados en circuitos de potencia son comunes valores entre 50 y 500 ohmios por voltio. Frecuentemente se necesitan mayores valores para mediciones en aparatos para corrientes de iluminación, pero entonces el instrumento es necesariamente más delicado y fácil de dañar.

Voltimetros de cd

Resistencia multiplicadora

La adición de una resistencia en serie o multiplicador convierte al movimiento bàsico D'Arsonval en un voltímetro de cd, como se muestra en la figura 4-12. Las resistencia multilplicadora limita la corriente a través del movimiento de forma que no exceda el valor de la corriente de deflexión (I fsd) a plena escala. Un voltimetro de cd mide la diferencia de potencial entre dos puntos en un componente del circuito. Las terminales del medidor generalmente están marcadas con "pos" y "neg", ya que se debe observar la polaridad.

Figura 1.2

Voltimetro de CA con rectificadores

Los voltìmetros electrònicos de ca son básicamente idénticos a los cd , excepto que se debe rectificar el voltaje de entrada antes de aplicarlo al circuito medidor de cd. En algunos casos, la rectificación se efectúa antes de la amplificación; es decir, el circuito rectificador de un diodo precede al amplificador y al medidor figura 6-5a.

Esta opción requiere idealmente un amplificador con caracteristicas de arrastre cero, ganancia de voltaje unitaria y un elemento móvil del medidor de cd con sensibilidad adecuada. En este caso se lleva a cabo la rectificación de onda completa en el circuito del medidor conectado a la terminal de salida del amplificador de ca. Esta opción generalmente requiere un amplificador de ca con alta ganancia en lazo abierto y grandes cantidades de retroalimentación negativa para superar la no linearidad de los diodos rectificadores.

Por lo general los voltimetros de ca son del tipo de respuesta promedio, con la escala de medición calibrada en términos de valores rms de una onda senoidal. Dado que muchas ondas en electronica son senoidales, es una soluciòn satisfactoria y menos costosa que un verdadero voltìmetro de resouesta rms.

Voltimetros de escala Múltiple.

Tal como se ha descrito, la amplitud de la escala de un voltímetro se puede aumentar, agregando al circuito del instrumento una resistencia conectada en serie con el dispositivo móvil del mismo. La resistencia disminuye la desviación de la aguja del instrumento; por lo tanto, utilizando resistencias de valores conocidos se puede reducir las desviación en la medida que se desee.

Los voltímetros de escala múltiple, como los amperímetros de escala multíple son instrumentos que se utilizaran con frecuencia . Su aspecto exterior es muy parecido al de los amperímetros y por lo general sus resistencias están colocadas dentro del instrumento, con llave selectora o juegos de terminales adecuados en la parte de afuera para elegir la escala. La escala correcta se elige comenzando con la de valores más grandes y bajando hacia los más pequeños hasta que la aguja se encuentre más o menos en la mitad de la escala.

Los voltímetros de escala multíple son sumamente practicos porque son livianos, portátiles y se les puede adaptar para cualquier gama de voltaje con sólo mover una llave. En el dibujo simplificado de abajo aparece un voltímetro de escala múltiple para tres gamas de voltaje.

Figura 1.3 Voltímetro