Precisión de los aparatos de medida
La
precisión de un aparato de medida está íntimamente relacionada con su calidad
aunque, como hemos visto en el ejemplo anterior, no han de coincidir
necesariamente.
En la
práctica, las medidas se clasifican de la forma siguiente:
·
Medidas de precisión
mediocre: Error relativo 10 % ó más
·
Medidas de precisión
normal: Error relativo de 5 a 10 %
·
Medidas de precisión
media: Error relativo de 1 a 10 %
·
Medidas de alta
precisión: Error relativo de 0,1 a 1 %
·
Medidas de muy alta
precisión: Error relativo inferior a
0,1 %
Marcado de los bornes de los aparatos de
medida
· Cuando el sentido de
la corriente influye en el funcionamiento de un aparato de medida, como sucede,
por ejemplo, en amperímetros, voltímetros, vatímetros, varímetros, debe marcarse
con el signo +, el borne que ha de conectarse al polo positivo;
preferentemente, este borne debe estar situado cerca del cero de la escala.
· En los vatímetros y
fasímetros monofásicos, debe marcarse con un asterisco (*) el borne del
circuito de intensidad y el del circuito de tensión que debe conectarse a la
llegada de la corriente, para que la desviación del equipo móvil corresponda al
signo positivo de la potencia o del
desfase respectivamente.
· En los vatímetros y
fasímetros polifásicos, las fases deben estar marcadas con números o letras,
referidas al esquema de conexionado del aparato. Este esquema representará el
aparato visto frente a los bornes.
· En los aparatos
previstos para ser conectados con transformadores de medida, los bornes deben
estar referidos a los de los transformadores.
· Cuando para el
funcionamiento correcto de un aparato de medida, tenga que conectarse a tierra
su envolvente, en ésta debe existir el correspondiente borne de masa.
Símbolos para la rotulación de aparatos de
medida
El
usuario de un aparato o de un dispositivo de medida necesita conocer las
características constructivas, los límites de aplicación y las posibilidades de
utilización de dicho aparato. Para facilitar este conocimiento, todos los
aparatos de medida fabricados según las normas internacionales vigentes, llevan
inscritos sobre sus cuadrantes:
Símbolos
de información general
Símbolos
de utilización:
Los
símbolos de utilización del aparato, acostumbran a estar inscritos en uno de
los rincones del cuadrante.
Representación
de un conjunto de estos símbolos, tal como aparecerían inscritos en un aparato
de medida:
·
Marca de fábrica.
·
Número y serie de
fabricación.
·
Año de fabricación.
·
Unidad de la
magnitud a medir.
·
Sistema de medida
·
Clase de corriente y
número de circuitos
·
Calidad del aparato
·
Posición de trabajo
·
Tensión de ensayo de
aislamiento
·
Observaciones
especiales
Aparatos de medida
Para
realizar las mediciones eléctricas se utilizan diversos aparatos de medida, que
pueden dividirse en cuatro grandes grupos:
·
Aparatos indicadores
en los que una aguja señala, sobre una escala apropiada, la magnitud eléctrica
a medir.
· Aparatos digitales,
en los que la magnitud eléctrica a medir se indica en una pantalla, en forma de
un número decimal.
· Aparatos
registradores, en los que se anota gráficamente, el curso en el tiempo de la
magnitud eléctrica correspondiente.
·
Aparatos
totalizadores, que indican la energía total suministrada durante cierto tiempo.
Criterios de clasificación
Los
aparatos utilizados en las medidas eléctricas son de muy variadas
características y para su clasificación pueden seguirse diferentes criterios:
·
Por la clase de
corriente a medir
Con relación a la clase de corriente a la que pueden
aplicarse los aparatos de medida, se distinguen:
o
Aparatos solamente
utilizables para corriente continua en los que las indicaciones de la aguja o
del sistema indicador se producen por el campo magnético creado por un imán
permanente.
o
Aparatos utilizables
para corriente continua y para corriente alterna, en los cuales, las
indicaciones de la aguja o del sistema indicador son independientes de la
corriente.
o
Aparatos solamente
utilizables para corriente alterna, en los que las indicaciones de la aguja o
del sistema indicador están basados en los efectos de inducción de las
corrientes variables.
·
Por la magnitud
eléctrica a medir
A continuación, en un cuadro, se expresan las principales
magnitudes eléctricas, el nombre de los correspondientes aparatos de medida y
las unidades eléctricas que miden estos aparatos.
·
Por las
características constructivas
La caja o envolvente que contiene un aparato de medida
puede adoptar formas muy diversas.
Existen:
o
aparatos para
montaje fijo, utilizados en los cuadros de medida.
o
aparatos portátiles.
·
Por el principio de
funcionamiento
El movimiento de la aguja o del sistema indicador de un
aparato de medida, se produce utilizando distintos efectos de la corriente
eléctrica. El conjunto de los elementos generadores del movimiento y el propio
órgano móvil, cuya posición depende de la magnitud a medir, se denomina sistema
de medida.
Los sistemas de medida se diferencian por su estructura y
por su modo de funcionamiento, tal como se expresa a continuación:
o
Sistemas de medida
basados en la acción mutua de un imán permanente y una bobina móvil: aparatos
magnetoeléctricos.
o
Sistemas de medida
basados en la acción mutua de una bobina fija y un núcleo magnético móvil:
aparatos electromagnéticos.
o
Sistemas de medida
basados en la acción mutua de una bobina fija y una bobina móvil: aparatos
electrodinámicos.
o
Sistemas de medida
basados en los efectos de inducción: aparatos de inducción.
o
Sistemas de medida
basados en los efectos electrostáticos de cargas eléctricas en reposo: aparatos
electrostáticos.
o
Sistemas de medida
basados en los efectos caloríficos de la corriente eléctrica: aparatos
electrotérmicos.
·
Por la precisión de
la medida
Denominaciones
Las
denominaciones de la Comisión Electrotécnica Internacional, que hacen
referencia a los aparatos de medida, son las siguientes:
·
Sistema de medida
Órganos generadores del movimiento y órgano móvil, cuya
posición depende de la magnitud eléctrica a medir.
·
Instrumento de
medida
Sistema de medida, con caja y accesorios incorporados.
·
Aparato de medida
Instrumento de medida con todos los accesorios, incluso
los no incorporados.
·
Longitud de escala
Longitud del arco del margen de indicación, expresado en
milímetros.
·
Campo de indicación
Alcance total de la escala.
·
Campo de medida
Parte del alcance de la escala, para la cual hay que
atenerse a los límites de exactitud (tolerancia).
·
Indicación errónea
Diferencia entre el valor indicado y el correcto
(corresponde al concepto de error absoluto).
·
Error de indicación
Indicación errónea porcentual.
·
Sensibilidad del
aparato de medida
La exactitud de un aparato de medida es la concordancia
del valor de la medida indicado por el aparato, con el valor exacto de la
magnitud de medida.
Es decir, que la exactitud está relacionada con el error
de la medida y no con la sensibilidad del aparato, que hemos definido anteriormente.
·
Exactitud del
aparato de medida
La sensibilidad de un aparato de medida, es la relación
entre el desplazamiento del índice, marca, aguja, etc... observada en el
aparato, y la variación de la magnitud de medida que ha provocado dicho
desplazamiento, referida siempre y solamente al desplazamiento de la marca y
nunca al ángulo de desviación.
Por ejemplo, de un amperímetro se dice que tiene una
sensibilidad de 5 mm/A, cuando una corriente de 1 A provoca un desplazamiento
de 5 mm de la aguja indicadora. Es
decir, que la sensibilidad S es la relación entre una longitud l y una magnitud
M, o sea que puede expresarse por:
Por lo general, los aparatos de medida tienen la escala
graduada en unidades de la magnitud medida: por ejemplo, el aparato de medida
denominado amperímetro tiene la escala graduada en la unidad amperio de la
magnitud medida, intensidad de corriente.
Cuando la variación de la longitud de la escala l es proporcional a la variación de la
magnitud a medir M, la sensibilidad es
constante, la distancia entre las divisiones de la escala es siempre la misma,
y la escala es uniforme.
Cuando la variación de la longitud de la escala l es proporcional al cuadrado de la
variación de la magnitud a medir M, la
sensibilidad es variable, la distancia entre las divisiones de la escala no es
igual, y la escala no es uniforme.
o
Constante de un
aparato de medida
Se denomina constante de
un aparato de medida al valor inverso de la sensibilidad, es decir
Generalmente, se emplea la
denominación constante de escala, definida por la relación:
Errores
Todo
aparato de medida tiene cierto error o inexactitud que se debe, en parte, a la
construcción del aparato, en parte al ajuste realizado durante su contraste y,
en parte, al desgaste durante el funcionamiento del aparato.
Como
consecuencia de todos estos factores, los valores de la magnitud indicada por
el aparato de medida difieren de los valores reales de la magnitud medida.
Las
clases de error en base a las cuales se juzga de la calidad de los aparatos de
medida, son las que se expresan a continuación:
·
Error absoluto
Es la diferencia que existe entre el valor indicado por
el aparato Ai y el valor real Ar de la magnitud media; es decir
Δ = Ai-Ar
El error absoluto es positivo o negativo según que el
valor indicado sea mayor o menor que el valor real de la magnitud.
En los aparatos de medida, el error absoluto se determina
por comparación de las lecturas del aparato en cuestión con las lecturas del
aparato patrón: se supone siempre que los valores indicados por el aparato
patrón son exactas, es decir, sin error.
Por ejemplo, si al verificar un voltímetro éste indica
123,5 V y el voltímetro patrón indica 125 V, el error absoluto de la lectura es
Δ = 125 - 123,5 = - 1,5 V
·
Error relativo
El error relativo δ
, de un aparato de medida, es la relación entre el error absoluto y el valor máximo de la escala.
Componentes de los aparatos indicadores
Los
aparatos indicadores de medida son dispositivos que acusan con determinada
exactitud, por medio de una aguja o índice, u otras veces por medio de un haz
luminoso, que se desplazan sobre una escala graduada, el valor de la magnitud
eléctrica medida.
En
los aparatos indicadores de medida cabe distinguir:
·
Aparato de medida
Son las piezas del aparato cuyo movimiento o posición
depende de la magnitud que se ha de medir.
El dispositivo medidor consta de una parte fija y otra
móvil.
La magnitud eléctrica que se ha de medir produce entre
ambas partes una fuerza y un momento de giro eléctrico, que intenta separar la
parte móvil de su posición de reposo para trasladarla a otra posición,
normalmente mediante un movimiento de giro.
Al
momento de giro eléctrico se opone el par antagónico que depende de la
desviación. El órgano móvil gira hasta que los momentos eléctrico y antagónico
se igualan. Esta posición es señalada por un índice sobre una escala.
Instrumento ferrodinámico
·
Instrumento de
medida
Comprende el sistema de medida, más la escala y las
piezas que producen el par de giro y el movimiento.
·
Mecanismo de medida
Incluye el mecanismo de medida más la caja del
dispositivo, así como los accesorios montados interiormente (por ejemplo,
resistencias adicionales).
·
Órgano móvil o
Sistema de medida
Comprende el instrumento de medida y, además, los
accesorios montados exteriormente (por ejemplo, resistencias en serie shunts,
transformadores de medida, etc ... ); también se incluyen las piezas
constructivas del instrumento de medida que pueden separarse de él.
Según su funcionamiento
Desde el punto de vista de su
funcionamiento, un aparato de medida está constituido por dos sistemas:
·
Sistema traductor
Está constituido generalmente por un circuito eléctrico
en el cual la magnitud eléctrica medida se convierte en otra magnitud
(mecánica, por lo general), que actúa sobre el sistema indicador.
La magnitud a medir A y la magnitud transformada B (que
actúa sobre el sistema indicador) están relacionadas entre sí:
·
Sistema indicador
Está constituido por una parte fija y un índice o un haz
luminoso, que determinan, sobre una escala graduada, la magnitud eléctrica
medida.
El desplazamiento de la aguja indica el valor de la
magnitud medida; este desplazamiento depende directamente del valor B, según
una relación:
La parte móvil del aparato de medida se desplaza debido a
la acción de las fuerzas producidas por la magnitud eléctrica a medir; durante
el movimiento de esta parte móvil se consume energía.
Esta energía está proporcionada por el sistema traductor,
y una parte de ella se transforma, en el sistema indicador, en la energía
mecánica necesaria para desplazar la aguja indicadora.
Cuando el valor y la naturaleza
de la magnitud medida permiten su aplicación directa al sistema indicado, ya no
es necesario el sistema traductor.
Elementos constructivos de los aparatos indicadores de
medida
·
Sistemas de medida,
que utilizan los distintos efectos de la corriente eléctrica para mover los
elementos indicadores del aparato de medida.
·
Escalas, donde se
expresan los valores de las magnitudes eléctricas a medir.
o
Escalas
En la
mayoría de aparatos de medida, la escala es negra sobre fondo blanco.
En los
aparatos de medida destinados a cuadros de maniobra, que deben observarse desde
grandes distancias, las escalas son de pocos trazos y gruesos. Por el
contrario, en los aparatos de laboratorio, que siempre se observan de cerca,
las divisiones de la escala son finas y separadas por una distancia aproximada
de 1 mm.
Cuando se
trata de aparatos que deben leerse de cerca y de lejos, según los casos, las
escalas tienen dos conjuntos de divisiones: uno, grueso y con pocas divisiones
(lectura de lejos) y otro, fino y con muchas divisiones (lectura de cerca).
El tipo de
espaciado de las divisiones de la escala indica la forma de actuar del
mecanismo de medición; especialmente, expresa la dependencia que existe entre
la magnitud que se mide y la desviación del dispositivo indicador, sin tener en
cuenta las acciones secundarias.
Ejemplos
típicos de escalas para aparatos de medida:
□
Escala uniforme
Cuando el
par motor o par eléctrico varía proporcionalmente a la magnitud medida, y el
par antagonista o par mecánico es proporcional a la desviación, se obtiene una
escala lineal o escala uniforme.
Este tipo de
escala es el más favorable pues la exactitud de la lectura y la sensibilidad
son constantes en toda la escala.
□
Escala cuadrática
Cuando el
par motor es proporcional al cuadrado de la magnitud que se mide y el par
antagonista es proporcional a la desviación, se obtiene una escala cuadrática.
Como puede
suponerse, en este caso, la exactitud de la lectura varía mucho con la
desviación.
□
Escala no uniforme
Muchas
veces, en los aparatos de medida que actúan cuadráticamente, se procura que los
dispositivos que constituyen el mecanismo de medición, actúen de forma que la
escala resulte más parecida a la escala lineal: por ejemplo, haciendo que el
par antagonista no sea proporcional a la desviación.
En estos
casos se trata de una escala no uniforme. En este tipo de escala desde,
aproximadamente 1/5 del valor extremo en adelante, la escala es casi lineal.
□
Escala ensanchada
Por
ejemplo, en la escala de la figura, el campo de indicación abarca desde 0º a 50º y el campo de medida, desde
5º hasta 30º.
□
Escala con parte
inicial ensanchada
Cuando es
necesario leer los valores pequeños de la escala, se utiliza una escala con
parte inicial ensanchada.
Aunque
también se emplean otros tipos de escalas, los anteriores son los más
utilizados en las mediciones eléctricas.
·
Dispositivos
indicadores, que indican sobre las escalas los valores de estas magnitudes.
o
Dispositivos
indicadores
El
dispositivo indicador más utilizado en los aparatos de medida, es una aguja
indicadora, que se desplaza sobre una escala graduada; el desplazamiento de la
aguja o índice está producido por el par motor del aparato.
La aguja
indicadora ha de ser muy ligera para cargar lo menos posible el mecanismo de
medición y, además, debe estar sólidamente fijada, con objeto de soportar los
esfuerzos producidos por las sobrecargas, sin que se produzcan deformaciones
mecánicas. Por lo general, las agujas
indicadoras se construyen en forma de tubos o de perfiles laminados, de chapa
muy fina (de unos 0,03 mm de grueso) y de material muy ligero, como puede ser
el aluminio o algunas de sus aleaciones.
o
Tipos constructivos
de agujas indicadoras
□
Para los aparatos
destinados a la observación desde gran distancia se emplean agujas en forma de
varilla o de lanza, con su extremo ancho.
o
Cuando la lectura
del aparato debe realizarse a distancia o en sus proximidades, se emplea la aguja
con punta de lanza fina.
□
En los aparatos de
precisión para laboratorio, que se han de leer de cerca y con más exactitud, la
aguja indicadora tiene forma de cuchilla o de hilo.
Cuando se
necesita que se mantenga permanentemente la indicación de una desviación
máxima, se emplea un segundo índice, que es arrastrado por la aguja indicadora
principal cuando ésta avanza, pero que queda retenido cuando el índice
principal retrocede al principio de la escala.
En efecto, cuando la visual del ojo es perpendicular a la
escala (lectura correcta), el valor leído es distinto al que se lee cuando la
visual es oblicua (lectura incorrecta).
La
discrepancia entre la lectura correcta y la incorrecta, es decir, el error de
paralaje, aumento con la distancia entre la aguja indicadora y la escala y con
el ángulo que forman la visual y la perpendicular a la escala.
Se evita éste error
utilizando índices en forma de cuchilla o de hilo, y escalas provistas de un
espejo situado debajo de una abertura arqueada.
Cuando la
posición del ojo es correcta, el índice se superpone con su imagen.
·
Dispositivos antagonistas,
que producen el par antagonista necesario para una buena medición, por frenado
de los dispositivos indicadores.
o
Dispositivos
antagonistas
Como
sabemos, al par motor debe oponerse un par antagonista; si no existiera este
par antagonista, la aguja indicadora del aparato de medida se desviaría fuera
del margen de la escala para cualquier valor del par motor. El par antagonista debe oponerse al par motor
y aumentar con un ángulo igual al ángulo de giro del órgano móvil.
□
En los aparatos de
medida en los que la parte móvil gira sobre pivotes o cojinetes, el par
antagonista es proporcionado por la torsión de uno o dos muelles en espiral.
En los
aparatos de medida magnetoeléctricos y electrodinámicos, los muelles en espiral
tienen una doble misión; además de proporcionar el par antagonista, se emplean
para conducir la corriente eléctrica a la bobina móvil del aparato; en estos
casos, la resistencia eléctrica del muelle antagonista tiene gran importancia.
□
En los aparatos de
medida en los que la parte móvil está suspendida mediante cintas elásticas o
tirantes el par antagonista es proporcionado por la misma cinta o tirante que,
a este efecto, está fijada en sus extremos por resortes curvos. Este sistema es
más empleado en aparatos de precisión, ya que el mecanismo tiene mayor
sensibilidad y, por lo tanto, el par motor requerido puede ser muy pequeño.
Cuando se
trata de aparatos de medida con dos o más bobinas (por ejemplo, en los
cocientímetros o logómetros), una de las bobinas produce el par motor y otra,
el par antagonista.
·
Dispositivos
amortiguadores, que evitan las oscilaciones de los dispositivos indicadores.
o
Dispositivos
amortiguadores
Los
dispositivos amortiguadores se emplean para que el órgano móvil de un aparato
de medida y con él, la aguja indicadora, tomen la posición definitiva de medida
lo más rápidamente posible, sin oscilaciones que dificulten la lectura.
Como
sabemos, los dispositivos amortiguadores proporcionan el par amortiguador Mam
cuya magnitud es, casi siempre, proporcional a la velocidad angular de la parte
móvil del aparato, es decir:
C= constante de proporcionalidad
α
= ángulo de giro de la aguja indicadora
Cuando se
inicia una medición o se finaliza, predomina el momento eléctrico o antagónico,
respectivamente, hasta el estado de equilibrio.
Se produce
una oscilación que depende del amortiguamiento del sistema, hasta que se
equilibran los dos momentos.
El amortiguamiento
debe ser el adecuado para facilitar la lectura.
□
Amortiguamiento
electromagnético
Se realiza a base de
corrientes de Foucault.
Sobre el eje del órgano
móvil se dispone un disco metálico que gira entre los polos de un imán
permanente inmóvil, arrastrado por el órgano móvil citado.
En el disco aparecen
unas corrientes de Foucault por inducción, que determinan una fuerza antagónica
que frena el movimiento.
□
Amortiguamiento por
aire
En el sistema móvil hay
una aleta de aluminio muy ligera, sujeta al eje de giro.
La aleta se
mueve en una cámara, ofreciendo al aire interior una resistencia, y provocando
así el amortiguamiento.
·
Dispositivos
correctores, para ajustar la posición del cero en la escala de medida.
·
Dispositivos de
apoyo, para apoyar y suspender los dispositivos indicadores y otros órganos
móviles.
Continua en: Medida de magnitudes
eléctricas (Parte 3ª)
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