Clase 01 – GENERALIDADES SOBRE INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Laboratorio de Mediciones Eléctricas – Generalidades

Clase 1: ¿Qué es medir?

Medir es comparar la cantidad desconocida que queremos determinar con una cantidad conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad. Teniendo como punto de referencia dos cosas: un objeto (lo que se quiere medir) y una unidad de medida ya establecida.

Al resultado de medir lo llamamos Medida.

Nunca lograremos obtener el verdadero valor de la magnitud, siempre vamos a obtener un valor aproximado de la misma y necesitamos entonces indicar lo buena que es esta aproximación. Por lo tanto el valor de una magnitud determinada no está exento de errores.

Error: diferencia entre el valor medido y el valor real

En electricidad son muchas las magnitudes que pueden medirse, intensidad de corriente, tensión eléctrica, resistencia eléctrica, potencia eléctrica, energía eléctrica, etc. Para llevar a cabo cada uno de esos procesos, se necesitan instrumentos que serán los encargados de realizar esas mediciones

Errores en la medida

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. Los errores en medida eléctricas se pueden clasificar en: sistemáticos y accidentales

a) Error sistemático: es el originado por las características del aparato o de la actitud del observador. Entre lo más frecuentes se pueden destacar los siguientes:

• Metodológicos: por utilizar un método inadecuado para realizar la medida, como por ejemplo la colocación de los aparatos de medida cuando se utiliza el método indirecto, ya que éstos tienen consumo y pueden falsear el resultado obtenido.

• Ambientales: son el resultado de la influencia de las condiciones físicas del entorno: temperatura, presión, humedad, campos magnéticos, etcétera.

• Personales: los que dependen de la pericia o habilidad del operador al realizar la medida; por ejemplo, la colocación de éste en la lectura.

• Instrumentales: son los causados por el desgaste de las piezas del aparato, o bien por el desgaste de la pila o batería que alimenta dicho aparato.

b) Accidentales o fortuitos: se producen de una forma aleatoria. No se pueden clasificar dada su gran variedad; aun así, no son de gran importancia en las medidas eléctricas. Ejemplos de esto son:

1- Rozamientos internos
2- Acción externa combinada.
3- Errores de apreciación de la indicación.
4- Errores de truncamiento.

Cada vez que realicemos una medida, debemos evitar desconfiar del valor obtenido, pero también razonar si el resultado está en relación con el valor que preveíamos o no se corresponde con éste. En caso de que exista gran diferencia, hemos de pensar que algo raro ocurre y hacer las comprobaciones necesarias.

Entre todos los errores que se pueden cometer al realizar una medida, se encuentran los causados por el operario que la realiza. Se suelen cometer con frecuencia, pero son fáciles de eliminar siendo metódicos. Estos son:

a) Errores de cero: Se dan cuando al iniciar la medida no hemos prestado la suficiente atención a la posición del índice (aguja indicadora). Antes de medir, es conveniente calibrar con el tornillo de ajuste la aguja a cero.

b) Error de paralaje: ocurre cuando el operario no encara de forma perpendicular la escala del aparato. Se corrige haciendo coincidir la aguja con su proyección sobre la escala. Algunos aparatos suelen incorporar un espejo sobre la escala para facilitar esta tarea.

Estos errores no se suelen dar en los aparatos digitales. Por otro lado, es conveniente conocer la calidad y precisión de los aparatos de medida, de ahí que estudiemos los siguientes conceptos:

1) Error absoluto: es la diferencia entre el valor obtenido y el valor real. Como se ha dicho en párrafos anteriores, el valor real es difícil de conocer, por este motivo podemos tomar como valor real el obtenido con un aparato de precisión, o bien, tomar como valor real la media de varias medidas.

Ea = Valor leído – Valor real

Este error nos indica cuánto nos hemos equivocado, pero no nos dice nada sobre la calidad de la medida y del aparato con la que se realiza. Se pueden obtener errores tanto positivos como negativos, en el primer caso se entiende que el aparato mide por exceso y en el segundo se entiende que lo hace por defecto.

2) Error relativo: es el resultado de multiplicar por 100 el cociente que resulta de dividir el error absoluto por el valor real. El error relativo se expresa en tanto por ciento.

er = Ea /valor real· 100

Este error nos da más información sobre la medida, ya que se refiere al error cometido por unidad de medida.

¡Un aparato se puede considerar bueno cuando da un error relativo por debajo del 2%.!

Ejemplo 1:

Se realiza la medida de intensidad de corriente de un circuito con un amperímetro a prueba y un amperímetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

Amperímetro a prueba: 4,1 A.
Amperímetro patrón: 4A.

Se pide: calcular los errores absoluto y relativo.

Solución: Ea = Valor leído – Valor real = 4,1 – 4 = 0,1

er = Ea /Valor real .100 =0.1/4 .100 = 2,5%

Ejemplo 2:

Se realiza la medida de tensión de un circuito con un voltímetro a prueba y un voltímetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

Voltímetro a prueba: 130 V.
Voltímetro patrón: 135 V.

Se pide: calcular los errores absoluto y relativo.

Solución: Ea = Valor leído – Valor real = 130 – 135 = –5

Ea = Ea /Valor real .100 = -5 / 135 .100 = 3,70%

Cualidades de los aparatos de medida

Podemos decir que un aparato de medida será mejor o peor, atendiendo a las siguientes cualidades:

a) 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.

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

c) Exactitud: es un concepto parecido al de precisión, pero no igual. Un aparato es más exacto cuanto más 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 qué ser exacto.

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

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

Ejemplo de exactitud y precisión:

Referencia: Tensión 100 V

En el Voltímetro 1 (V1) Tomamos estas lecturas (97 V, 97 V, 97 V, 96 V, 97 V)

En el Voltímetro 2 (V2) Tomamos estas lecturas (99 V, 99 V, 98 V, 99 V, 99 V)

Conclusión: tanto V1 como V2 tienen la misma precisión puesto que V1 repite 4 veces el valor 97 V, mientras que V2 repitió también 4 veces el valor 99 V.

Pero es más exacto el V2 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.

Generalidades sobre instrumentos de medida eléctricos.

Instrumentos Digitales

Estos instrumentos representan únicamente y de forma discontinua, valores discretos de la magnitud eléctrica a medir con una graduación más o menos fina. La ventaja principal de los métodos de medición digital está en la posibilidad de almacenar las señales de medida, cuantificarlas y procesarlas sin que se produzcan errores adicionales.

Instrumentos Analógicos

Los instrumentos analógicos de medición eléctrica, son instrumentos que por medio de una aguja que se desplaza sobre una escala graduada, determina el valor de la magnitud eléctrica medida.

El sistema indicador está compuesto por una parte fija y por una parte móvil, a la cual está fija la aguja indicadora. El desplazamiento de ésta se produce por la acción de fuerzas y durante ese movimiento se consume energía. Una parte de esa energía es transportada en energía mecánica en el sistema indicador y el resto de la energía se convierte en calor.

Sobre la parte móvil actúan dos momentos de fuerzas opuestas o cuplas; la cupla motora (Cm) cuyo valor depende de la magnitud medida, y la cupla antagónica (Ca), que tiende a llevar al elemento móvil a su posición inicial.

La posición en la cual se detiene el elemento móvil del instrumento, corresponde a un ángulo α, para el cual la suma de los momentos es cero.

Cm – Ca = 0
Cm = Ca

(Esto significa que el sistema está en equilibrio)

En cualquier instrumento, además de esos dos momentos, hay que considerar otros, como ser:

Momento de fricción: debido al roce en cojinetes o a la presencia de cuerpos extraños, que frenan al elemento móvil.
Momento amortiguador: la parte móvil no alcanza inmediatamente el equilibrio. La aguja sobrepasa la posición de equilibrio y luego vuelve en sentido contrario pasando otra vez por la posición de equilibrio, oscilando. Para acortar esa oscilación, se utilizan amortiguadores que frenan el movimiento de la parte móvil.

A continuación se mencionan algunos de los principales instrumentos analógicos:

· Instrumentos de imán permanente y bobina móvil

Los instrumentos de imán permanente y bobina móvil (I.P.B.M.), conocidos también como tipo d’Arsonval, son los más usados en medidas de corriente continua, como voltímetros y amperímetros; se caracterizan por ser fácilmente transportables, su calibración es casi permanente y su uso es sencillo. Su principio de funcionamiento se basa en la interacción de dos campos magnéticos : el del imán permanente y el producido por una corriente que recorre una bobina móvil.

· Instrumentos de hierro móvil

Son instrumentos que funcionan indistintamente en CC y CA. Son muy resistentes a los golpes y a vibraciones, lo mismo que a las sobrecargas. Poseen una bobina fija , son económicos y se puede variar el alcance , modificando el número de espiras de la bobina, y la sección del alambre de la bobina. Su principio de funcionamiento esta basado en la acción de un campo magnético producido por una corriente que recorre una o más bobinas fijas, sobre una o más piezas móviles de acero dulce o material ferromagnético. Prácticamente el 90 % de los instrumentos que se usan como amperímetro o voltímetro en la industria y en estaciones transformadoras, son de éste tipo.

Instrumentos electrodinámicos

Disponen de dos circuitos independientes. Suelen ser usados no sólo en voltímetros y amperímetros, sino también en instrumentos medidores de potencia activa (Vatímetros) y potencia reactiva (Vármetros). Este tipo de instrumento hace uso de campos magnéticos producidos por dos bobinas, una fija y otra móvil (en algunos casos el elemento móvil puede tener dos bobinas), cada una de las cuales es portadora de corriente que es función de la corriente o el voltaje que se desea medir; la reacción entre los campos de la bobina fija y móvil proporciona el torque deflectante del sistema móvil, que es compensado por resortes espiral que también son empleados para llevar la corriente a la bobina móvil. Cualitativamente, la operación puede explicarse en términos del instrumento d’Ansorval, donde el imán permanente es reemplazado por un electroimán. La bobina fija está dividida en dos enrollados simétricos y genera un campo aproximadamente uniforme en la región ocupada por la bobina móvil. Usualmente se denomina “bobina de corriente” a la bobina fija y “bobina de tensión “ a la bobina móvil.