Medida de magnitudes eléctricas (Parte 1ª)

Introducción

Para controlar la electricidad, es preciso disponer de elementos de medida de las diferentes magnitudes que intervienen en ella.

Al ser una forma de energía invisible en sus manifestaciones en condiciones normales, es preciso visualizar, mediante instrumentos adecuados, lo que está ocurriendo en una instalación eléctrica.

Así aparecen los diferentes aparatos que miden las distintas magnitudes eléctricas, tales como voltímetros, amperímetros, vatímetros, contadores de energía y otros muchos.

La función fundamental de estos aparatos es:

·         Medir.

·         Visualizar.

·          Registrar.

·         Vigilar y proteger.

Conceptos fundamentales

La investigación de los fenómenos eléctricos, así como el control y la vigilancia de la producción, distribución y aplicaciones de la energía eléctrica, exigen la medición de las magnitudes que intervienen en todos los procesos de origen eléctrico.

La técnica de las medidas eléctricas comprende el estudio de los instrumentos y de los procedimientos de medida que se emplean en la determinación de las magnitudes que, de una u otra forma, interesan en Electrotecnia, y que pueden dividirse en varias clases:

·         Magnitudes eléctricas

o     Intensidad.

o     Tensión.

o     Resistencia eléctrica.

o     Potencia eléctrica activa y reactiva.

o     Factor de potencia o coseno de   .

o     Energía eléctrica.

·         Magnitudes relacionadas con la Electrotecnia

Las magnitudes que, aunque de naturaleza no propiamente eléctrica, están en relación estrecha con la Electrotecnia, y se miden por procedimientos eléctricos, tales como:

o   Las magnitudes magnéticas (intensidad de campo, inducción magnética).

o   Las magnitudes luminotécnicas (intensidad luminosa, flujo luminoso).

·         Magnitudes no eléctricas

Las magnitudes no eléctricas pero en cuya medida se emplean procedimientos total o parcialmente eléctricos; entre ellas se pueden citar:

o    La temperatura.

o    La presión.

o   La humedad.

o   Otras.

La medición de todas las magnitudes mencionadas, puede realizarse de dos formas diferentes:

Por medio de dispositivos que dan directamente el valor de la magnitud que se mide y que se denominan, en general, aparatos de medida.

El resultado de la medida, por lo general, está señalado por la indicación de una aguja sobre una escala graduada, aunque cada vez se va extendiendo más el uso de aparatos de medida digitales con indicación numérica sobre una pantalla, en lugar de aguja.

Los aparatos utilizados reciben su nombre de la magnitud que deben medir: amperímetro, voltímetro, vatímetro.

Con ayuda de dispositivos especiales, en los que los elementos y aparatos que los constituyen están relacionados entre sí, constituyendo conexiones de medida.

Este procedimiento se aplica especialmente en las medidas industriales, es decir, las que se realizan en las explotaciones (producción, distribución y consumo) en las que se necesita una determinación rápida, sencilla y clara.

Medidas eléctricas industriales

Se denominan, medidas eléctricas industriales las que están caracterizadas por la utilización de aparatos de medida sencillos y accesibles en fábricas, estaciones de distribución y centrales, que permiten obtener mediciones de precisión satisfactoria para fines industriales, sin necesidad de recurrir a los laboratorios de medida destinados a las mediciones de alta precisión.

Para las medidas industriales se emplean, esencialmente, dos tipos de aparatos de medida:

·         Aparatos de medida fijos

Destinados a ser montados en cuadros de distribución (aparatos para cuadro) para la medida y registro de las magnitudes eléctricas de una instalación.

Se emplean como aparatos indicadores y registradores y el sistema de medida más utilizado es el electromagnético de hierro móvil, si bien, cada vez más, están siendo sustituidos por aparatos electrónicos digitales.

Se emplean en clases de precisión: 1 - 1,5 - 2,5 - 5.

·         Aparatos de medida portátiles

Destinados a ser transportados en maletines y receptáculos especiales hasta los lugares de las instalaciones en los que, por diferentes causas, son necesarias comprobaciones, medidas o localización de averías.

Se utilizan casi siempre como aparatos indicadores y, también algunas veces, como aparatos registradores; se utilizan, sobre todo, los sistemas de medida magnetoeléctrico, electrodinámico y ferrodinámico, así como los electrónicos.

Clases de precisión empleadas: 0,2 - 0,5 - 1 - 1,5 - 2,5. 

Operaciones básicas en las medidas eléctricas

Por las exigencias que imponen los dispositivos y las instalaciones eléctricas, se distinguen las siguientes operaciones:

·         Probar, detectar o ensayar

Con mucha frecuencia ocurre que basta con determinar la existencia, aparición o desaparición de una magnitud o, en otros casos, a expresar la tendencia a exceder o quedar por debajo de un determinado valor (por ejemplo, el valor de la plena carga en una máquina eléctrica).

En lo que se refiere a la sensibilidad de los aparatos empleados, generalmente es pequeña (comprobación de la existencia de tensión) aunque, en algunos casos puede ser elevada (galvanómetros de cero).

La exigencia de exactitud es siempre pequeña: no se precisa calibrado, en el sentido de una división de la escala de medida.

·         Medir

Este concepto entraña la determinación numérica de la magnitud, sometida a comparación con una unidad determinada, recurriendo a instrumentos o dispositivos de medida, debidamente calibrados.

Puede comprenderse que, en este caso, resulta fundamental conocer el grado de exactitud que se precisa en la medida, para seleccionar y disponer convenientemente los elementos de medida necesarios.

·         Calibrar o verificar

Es la comparación de un aparato de medida con un patrón normalizado y que se refiere a la misma magnitud a medir.

Debe garantizarse que el calibrado de un aparato de medida se haya realizado con un grado suficiente de exactitud, mediante el empleo de los dispositivos técnicos adecuados.

En esta operación, la exigencia más importante es la exactitud: el calibrado de un aparato de medida debería realizarse con una precisión tal, que permitiera apreciar la décima parte del error tolerado.

Normas para la preparación de una medición

Previamente a realizar una medición deben realizarse unas operaciones encaminadas a que esta medición resulte apropiada al objeto perseguido.

·         Precisar el grado de precisión requerido en la medición.

·         Evaluar a priori la magnitud a medir.

·         Elegir el procedimiento de medición más idóneo.

Con estas normas previas, estamos en condiciones de realizar las mediciones de las diferentes magnitudes eléctricas.

Para la realización de la medición propiamente dicha, deben llevarse a cabo las siguientes operaciones:

·        Estudio del esquema de conexiones trazando detalladamente el esquema de las conexiones a efectuar, incluyendo todos los elementos que van a utilizarse en la medición tales como aparatos de medida, conexiones de medida, transformadores de medida y fuentes de alimentación.

·      Preparar los cuadros de valores, de las mediciones anotando los datos en cuadros de valores que deben prepararse antes de iniciar las mediciones.

Errores de medición

Los diversos dispositivos utilizados para medir y comparar magnitudes no son completamente exactos y los datos que proporcionan no resultan absolutamente correctos.

Es decir, se producen siempre errores de medición cuyas causas más importantes son las siguientes:

·         Errores de fabricación, debidos a defectos propios de los materiales utilizados y a los sistemas de medida empleados.

·      Errores ambientales, como son los cambios de temperatura del medio ambiente, los campos magnéticos y eléctricos presentes y otros.

·         Errores de montaje, debidos a los procedimientos de medida elegidos.

·         Errores personales debidos a observaciones defectuosas o a imperfecciones en la vista o en el oído del personal encargado de las mediciones.

Magnitudes que expresan el error de medición

Conceptos relacionados con el error de medición:

·         Error absoluto

Si se tienen dos valores de medición, uno correcto y otro falso, se denomina error absoluto a la diferencia entre ambos valores, es decir:

                                           Error absoluto = Valor falso - Valor correcto

El error absoluto es positivo o por exceso, si el valor falso supera al valor correcto y negativo o por defecto, en el caso contrario.

Por ejemplo, si la medida de una tensión es de 385 V y se sabe que su valor correcto es de 380 V, se tiene un valor absoluto positivo o por exceso de

                                                                385 - 380 = 5 V

·         Error relativo

Es el cociente entre el error absoluto y el valor correcto de la medición, o sea

Por ejemplo, el error relativo cometido en la medida anterior es:

·         Error porcentual

Equivale al error relativo multiplicado por 100.

En los aparatos y dispositivos de medida, el error garantizado por el fabricante está expresado generalmente en tanto por ciento del valor final de la escala del aparato.

Si el error relativo es 0,0132, el error porcentual vale

0,0132 x 100 = 1,32 %

Condiciones de funcionamiento de un aparato de medida

Los aparatos de medida se fabrican para su funcionamiento óptimo, en lo que a errores y exactitud se refieren, para unas condiciones normales de funcionamiento y que están establecidas por convenciones internacionales; fuera de estas condiciones normales, los constructores de aparatos de medida no garantizan ni las tolerancias, ni la exactitud de dichos aparatos.

·         Condiciones normales de funcionamiento establecidas por las normas internacionales

o   Temperatura ambiente no superior a 20 ºC. Cuando el aparato de medida está previsto para su funcionamiento a temperaturas diferentes a 20 ºC, estas temperaturas deben indicarse en el cuadrante del aparato.

o   En aparatos de medida para corriente alterna, la frecuencia en la que el aparato está contrastado, debe indicarse en el cuadrante.

o     Si no se indica, se entiende que la frecuencia de contraste, es de 50 Hz.

o   En aparatos de medida para corriente alterna, se supone que han de funcionar con formas de onda senoidales.

o    Hay aparatos que miden el "verdadero valor eficaz", es decir, el valor eficaz de la magnitud eléctrica con independencia de la forma de onda.

o    Durante su empleo, la posición del aparato de medida debe ser la que está indicada en el cuadrante.

o   El aparato de medida debe trabajar en ausencia de campos magnéticos exteriores; en caso contrario, el aparato debe estar provisto del correspondiente blindaje magnético, cuya existencia se indicará en el cuadrante del aparato.

·         Condiciones anormales de funcionamiento de un aparato de medida

Cuando un aparato de medida trabaja en condiciones diferentes a las consideradas normales, parecen errores adicionales, que deben sumarse a los errores que aparecen en condiciones normales de funcionamiento, y que hemos estudiado en el apartado anterior. Como consecuencia, el aparato funciona fuera de los márgenes de exactitud previstos por el fabricante.

·         Errores adicionales más importantes de un aparato de medida

Los más importantes errores adicionales de un aparato de medida, son los que se expresan a continuación.

o   Error por temperatura. Se produce cuando el aparato funciona fuera de los límites previstos de temperatura; en estas condiciones, varían las propiedades de los materiales utilizados en la construcción del aparato, lo que puede ocasionar valoraciones erróneas en la medición de las magnitudes eléctricas.

o    Error por frecuencia. En algunos sistemas de medida, el momento motor depende de la frecuencia.

o    Error de forma de onda. Depende de la deformación de la forma de onda respecto la forma senoidal, y aparece en los aparatos cuyo momento motor depende del valor medio de los valores de la corriente alterna que miden.

o     Error de posición. Se produce cuando se desplaza el centro de gravedad del aparato; en estos casos, la fuerza de la gravedad origina momentos adicionales que provocan errores en los momentos motores.

Este error puede resultar importante en aparatos cuyo eje es horizontal (por ejemplo, los aparatos para cuadros eléctricos).

o   Error por influencia de campos magnéticos exteriores. Este error depende de los campos magnéticos presentes en el exterior del aparato y, por lo tanto, de las intensidades, direcciones, frecuencias, etc., de dichos campos.

Campo de Indicación y campo de medida

El campo de indicación de un aparato de medida está determinado por los valores inicial y final de la escala.

El campo de medida de un aparato de medida comprende aquella parte de la escala en la cual resultan válidas las indicaciones del aparato.

Ejemplo

El campo de indicación comprende de 0 a 800 A, pero las indicaciones del aparato en el intervalo de 0 a 100 A resultan imprecisas y no pueden considerarse como resultados de medición.

El campo de medida de este aparato está comprendido entre 100 y 800 A, solamente.

Calidad de un aparato de medida

La sensibilidad, la exactitud y la tolerancia, constituyen los criterios para determinar la calidad de un aparato de medida.

Las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional establecen que todos los aparatos de medida deben llevar un signo de calidad en el que se indiquen las cualidades de los mismos. De acuerdo con estas normas, se distinguen 7 clases de aparatos de medida.

La clase de un instrumento se refiere a su cualidad en cuanto a los límites tolerables de los errores porcentuales de medición. Se consideran las clases de precisión siguientes: 0,1  0,2  0,5  1  1,5  2,5  5

Características de las 7 clases de aparatos de medida

Estos números indican los errores máximos admisibles en tanto por ciento del valor final del campo de medición en los instrumentos provistos de posición de 0 mecánico y en tanto por ciento de la longitud de la escala en los instrumentos desprovistos de dicho 0.

Los límites de error se refieren a la temperatura de 20ºC y a la posición de utilización.

Respecto a la tabla anterior, cabe hacer las siguientes observaciones:

Los aparatos de medida de la tabla, tienen las siguientes aplicaciones:

·         Aparatos de medida de precisión: Clases 0,1; 0,2; 0,5.

·         Aparatos de medida industriales: Clases 1; 1,5; 2,5; 5.

Los amperímetros y voltímetros de las clases 1 a 5 han de admitir permanentemente una carga 1,2 veces mayor que el valor final del campo de medida; los vatímetros y fasímetros han de admitir, además, 1,2 veces el valor de la corriente y tensión nominales.

Estos aparatos también han de poder soportar sobrecargas de punta, 10 veces mayores que la corriente nominal y 2 veces mayores que la tensión nominal, sin sufrir desperfectos, durante un tiempo determinado.

El número de clase expresa el mayor error porcentual permitido, referido al valor de final de escala, para temperatura nominal (generalmente, 20 ºC), posición nominal (indicada en el cuadrante del aparato) y corriente alterna de frecuencia nominal (generalmente, de 45 a 64 Hz) y con una deformación de la curva de forma sinusoidal no mayor que el 5 % del valor de cresta (se exceptúan los aparatos de medida con rectificadores).

Ejemplo de aplicación

Veamos seguidamente un ejemplo de aplicación. Para medir una tensión de 80,0 V se dispone:

·         de un aparato de medida clase 0,5, con un campo de medida de 250 V.

·         de un aparato de medida clase 1, con un campo de medida de 100 V.

Veamos cuál de estos dos aparatos es más apropiado para nuestra medición.

Recuérdese que el error porcentual se refiere al valor final de escala.

Con el aparato clase 0,5 se puede esperar un error porcentual de ± 0,5 % es decir, que referido a una escala de 250 V, el error absoluto es:

Es decir, que obtendremos una inseguridad en la medida de:

                                                                A = 80 ± 1,25 V

Con el aparato clase 1, el error porcentual es de ±1% o sea que, referido a una escala de 100 V, el error absoluto es:

0 sea que, en este caso, se obtiene una inseguridad en la medida de:

                                                                       A = 80 ± 1 V

Esto quiere decir que, a pesar de su menor exactitud, con el aparato clase 1 obtenemos una precisión mayor debido, precisamente, a que hemos elegido un campo de medida más apropiado.

Consecuencias:

·      Deben evitarse aparatos de medida cuyo valor de final de escala sea bastante mayor que el valor a medir.

·       A ser posible, el campo de medida debe elegirse de forma que el posible valor a medir pueda leerse en el tercio superior de la escala.

Continua en: Medida de magnitudes eléctricas (Parte 2ª)
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