Ing. Josman Gray

ASPECTOS Y DEFINICIONES GENERALES DE LAS MEDICIONES ELÉCTRICAS

PATRÓN DE MEDICIONES

• Medir significa encontrar una cantidad como múltiplo de alguna otra cantidad fija, esta cantidad fija se conoce como unidad. La medición por tanto requiere un sistema de unidades que sea preciso, seguro y fácil de utilizar.

• Para asegurar que en todo el mundo, se utilizan las mismas unidades para los mismos valores, es necesario tener unas definiciones estrictas de unidades y definir cómo se pueden realizar las calibraciones de los sistemas de medida. Tales referencias se conocen como patrones o estándares.

MEDICIÓN Y TIPOS

• Medir consiste en obtener la magnitud (valor numérico) de algún objeto físico, mediante su comparación con otro de la misma naturaleza que tomamos como patrón.

• Valor verdadero

• Errores de medición

ERROR. Es la desviación a partir del valor real de la variable medida.

• Todo instrumento de medida presenta un error o inexactitud en los resultados los cuales son inherentes a lo siguiente:

• Construcción

• Ajuste durante su contraste. (Relación que existe entre el instrumento en uso respecto a su instrumento patrón).

• El proceso de medición generalmente requiere el uso de un instrumento como medio físico para determinar la magnitud de una variable. Los instrumentos constituyen una extensión de las facultades humanas y en muchos casos permiten a las personas determinar el valor de una cantidad desconocida la cual no podría medirse utilizando únicamente las facultades sensoriales. Por lo tanto:

Tipos de errores

• 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.

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.

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:

1 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.

2 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 autoeliminar el efecto perturbador. Por ejemplo, en el caso del wattímetro compensado, que posee un arrollamiento auxiliar que contrarresta la medición del consumo propio.

3 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.

4 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.

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:

1 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.

2 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 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:

3.1 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.

3.2 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.

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.

• La magnitud máxima de este tipo de error dependerá del tipo de redondeo que tenga el instrumento digital, siendo el 50 % del valor del último dígito representado para el caso de redondeo simétrico y el 100 % para el caso del redondeo asimétrico.

EXACTITUD VS. PRECISIÓN

• EXACTITUD: Es la cercanía con la cual la lectura de un instrumento se aproxima al valor verdadero del parámetro medido. Se refiere al grado acercamiento, aproximación o conformidad al valor verdadero de la cantidad bajo medición.

• PRECISIÓN: Es una medida de la repetibilidad de las mediciones, es decir, dado un valor fijo de algún parámetro, la precisión es una medida del grado con el cual las mediciones sucesivas difieren una de la otra. Se refiere al grado de concordancia dentro de un grupo de mediciones.

EJEMPLO DE EXACTITUD Y PRECISIÓN

• Referencia: Resistencia 100 Ω

• En el Medidor 1(M1) Tomamos estas lecturas (97Ω, 97Ω, 97Ω, 96Ω, 97Ω)

• En el Medidor 2 (M2) Tomamos estas lecturas (99Ω, 99Ω, 98Ω, 99Ω, 99Ω)

• Conclusión: tanto M1 como M2 tienen la misma precisión puesto que M1 repite 4 veces el valor 97Ω, mientras que M2 repitió también 4 veces el valor 99Ω.

• Pero es más exacto el M2 porque se aproxima más al valor de nuestra referencia.

• Otro ejemplo es cuando se considera que un instrumento el cual tiene un defecto de diseño u operación, da un resultado el cual se repite altamente de medición a medición, pero el cual se encuentra lejos del valor verdadero. Los datos obtenidos de este instrumento serán muy precisos, pero bastantes inexactos.

CLASIFICACIÓN DE LAS MAGNITUDES.

MEDICION ELECTRICA • Medición eléctrica es la técnica para determinar el consumo de energía eléctrica en un

circuito o servicio eléctrico. La medición eléctrica es una tarea del proceso de distribución eléctrica y permite calcular el costo de la energía consumida con fines domésticos y comerciales.

Tipos de distribución • Monofásica 2 hilos (1 Fase y un Neutro)

• Monofásica 3 hilos (2 Fases y un Neutro)

• Trifásica 3 hilos (3 Fases)

• Trifásica 4 hilos (3 Fases y un Neutro)

SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS

• Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y por ende asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones duplicadas, el cumplimiento de las características de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad.

• El Sistema Internacional de Unidades consta de siete unidades básicas. Son las unidades utilizadas para expresar las magnitudes físicas definidas como básicas, a partir de las cuales se definen las demás:

• Magnitud física básica Símbolo dimensional Unidad básica Símbolo de la Unidad Observaciones Longitud L metro m Se define fijando el valor de la velocidad de la luz en el vacío Tiempo T segundo s Se define fijando el valor de la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de cesio. Masa M kilogramo kg Es la masa del «cilindro patrón» custodiado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres (Francia). Intensidad de corriente eléctrica I amperio A Se define fijando el valor de constante magnética. Temperatura Θ kelvin K Se define fijando el valor de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Cantidad de sustancia N mol mol Se define fijando el valor de la masa molar del átomo de carbono-12 a 12 gramos/mol. Véase también número de Avogadro Intensidad luminosa J candela cd Véase también conceptos relacionados: lumen, lux e iluminación física

• Desde el 2006 se está unificando el SI con la norma ISO 31 para formar el Sistema Internacional de Magnitudes(ISO/IEC 80000). Hasta mayo del 2008 ya se habían publicado 7 de las 14 partes de las que consta.

Unidades de tipo eléctrico usadas comúnmente. Unidades eléctricas.

• Cantidad de electricidad (Q): Culombio(C).

• Resistencia(R): Ohmio (Ω).

• Tensión (V): Voltios (V).

• Intensidad (I): Amperio(A).

• Densidad eléctrica: A/mm2.

• Potencia (P): Vatio (W).

• Energía (E): Julio (J).

• Cantidad calorífica (Q): Caloría (Cal).

• Capacidad(C): Faradio (F).

• Fuerza electromotriz (F.m.m): Gilbert (Gi).

• Intensidad de campo (H): Oersterd (Oe).

• Inducción magnética (β): Gauss (G).

• Flujo magnético (φ): Maxwel l(Mx).

• Energía activa (E): KW-h.

• Energía reactiva (Ex): KV Ar-h.

• Energía aparente (Ez): KV A-h.

• Potencia activa (P): vatio (W).

• Potencia reactiva (Px): V Ar.

• Potencia aparente (Pz): V A.

• Frecuencia (F): Hercio (Hz).

• Reactancia (X): Ohmio (Ω).

• Impedancia (Z): Ohmio (Ω).

• Las unidades de la electricidad definidas por el Sistema Internacional para las magnitudes relacionadas por la ley de Ohm son: el voltio para la tensión; el amperio para la intensidad; y el ohmio para la resistencia.

Voltio

• El voltio es la unidad del SI para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y el voltaje. Recibe su nombre en honor de Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la primera batería química. Es representado simbólicamente por la letra V. Se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio consume un vatio de potencia.

Amperio

• El amperio es la unidad del SI para la intensidad de corriente eléctrica. Fue nombrado en honor de André-Marie Ampère. Un amperio es la intensidad de corriente que, al circular por dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y separados entre sí en el vacío a lo largo de una distancia de un metro, produce una fuerza entre los conductores de 2·10-7 newton por cada metro de conductor; también se puede conceptualizar como el paso de un Columbio (6.28 x 1016 electrones) en un segundo a través de un conductor. Se representa con la letra A.

OHMIO

• El ohmio es la unidad del SI para la resistencia eléctrica. Se representa con la letra griega Ω. Su nombre deriva del apellido del físico Georg Simon Ohm, que definió la ley del mismo nombre. Un ohmio es la resistencia eléctrica que presenta una columna de mercurio de 106,3 cm de altura y 1 mm2 de sección transversal, a una temperatura de 0 ºC.