Mediciones 02
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Mediciones Mediciones Eléctricas. Eléctricas. Instituto Tecnológico de Celaya.
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Mediciones Eléctricas.Mediciones Eléctricas.
Instituto Tecnológico de Celaya.
Unidad IIUnidad II
Instrumentos básicos de medición
IntroducciónIntroducción
Un amperímetro se conecta en serie con la rama del circuito y mide la corriente que pasa a través de él.
Un voltímetro se conecta en paralelo con los elementos en los que se desea medir la diferencia de potencial.
Los instrumentos de medición reales, presentan características de operación que modifican el valor del parámetro a medir.
IntroducciónIntroducciónLos medidores que determinan el voltaje y/o la corriente se pueden agrupar en dos clases generales:
AnalógicosDigitales.
Los medidores analógicos emplean elementos electromecánicos para mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua.
El mecanismo más comúnmente empleado es el Galvanómetro D’Arsonval.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalConsta de una bobina de hilo fino suspendida en el campo magnético que produce un imán permanente.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalCuando la corriente fluye por la bobina se desarrolla un par electromag-nético y la bobina gira.
Este par es contrarrestado por el par mecánico de los resortes de control sujetos a la bobina móvil.
Cuando los pares se equilibran, la posición angular de la bobina móvil se indica por una aguja con respecto a una referencia fija, llamada escala.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalLas cargas que se mueven en forma perpendicular al flujo de un campo magnético experimentan una fuerza perpendicular tanto al flujo, como a la dirección de movimiento de las cargas.
Como la corriente que pasa a través de un conductor se debe a un movimiento de cargas, esas cargas estarán sujetas a la fuerza magnética si se orienta adecuada-mente al conductor dentro de un campo magnético.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalLa bobina se suspende de manera que los efectos de fricción no afecten el movimiento ocasionado por la medición.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalSuspensión de banda tensada.
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro de núcleo magnético
Galvanómetro D’ArsonvalGalvanómetro D’ArsonvalCompensación por temperatura
Amperímetros de CDAmperímetros de CDEl mecanismo básico de un amperímetro de CD en un galvanómetro.
Puesto que el devanado de la bobina de movimiento es pequeño y ligero, solamente puede conducir corrientes muy pequeñas.
Cuando se miden corrientes elevadas es necesario desviar la mayor parte de la corriente por una resistencia llamada de derivación (shunt).
Amperímetros de CDAmperímetros de CDLa resistencia de derivación se calcula aplicando análisis convencional de circuitos a la siguiente figura.
Como Is= I- Im
y m ms s m m s
s
I RI R I R R
I
m ms
m
I RR
I I
Amperímetros de CDAmperímetros de CDEjemplo.
Un galvanómetro de 1 mA con una resistencia interna de 100 se quiere utilizar como amperímetro de 0 a 100 mA. Calcular el valor de la resistencia de derivación necesaria.
01.1mA 99
100mA 1IRI
R
mA 991100III
s
mms
ms
Amperímetros de CDAmperímetros de CDDerivación de Ayrton
La escala de corriente del amperímetro de CD se puede extender mediante varias resistencias de derivaciones, seleccionadas por un interruptor de rango.
Se requiere que el interruptor S haga conexión con la siguiente rama antes de desconectar la anterior.
Amperímetros de CDAmperímetros de CDDerivación de Ayrton
La derivación universal o de Ayrton elimina las posibilidades de tener el medidor sin ninguna derivación en el circuito.
Esta ventaja se obtiene a expensas de llegar a tener una resistencia total del medidor ligeramente mayor.
Amperímetros de CDAmperímetros de CDDerivación de Ayrton
Diseñar un amperímetro con derivación de Ayrton para las escalas de corriente de 1 A, 5 A y 10 A. Se utiliza un galvanómetro D’Arsonval con una resistencia interna Rm= 500, una corriente de 1 mA con derivación de Ayrton.
Para la escala de 1 A:
Para la escala de 5 A:
Para la escala de 10 A:
Resolviendo simultáneamente:
05005.0
001.1501
IIRI
RRRm
mmcba
0.001-5
50R1RR c
ba
001.010
50RR1R cb
a
04004.0R
, 005005.0R
, 005005.0R
c
b
a
Amperímetros de CDAmperímetros de CDRecomendaciones.
No conectar un amperímetro a través de una fuente de fem.
Observar la polaridad correcta
Utilizar primero el medidor en la escala de corriente más alta y disminuir gradualmente hasta obtener la deflexión adecuada.
Voltímetro de CDVoltímetro de CDLa adición de una resistencia serie o multiplicador convierte al movimiento básico D’Arsonval en un voltímetro de CD.
La resistencia multiplicadora limita la corriente a través del movimiento de forma que no exceda el valor de la corriente máxima de deflexión a plena escala.
mmm
mms
msm
RIV
IRIV
R
RRIV
Voltímetro de CDVoltímetro de CDVoltímetros de rango múltiple.
La suma de varias resistencias multiplicadoras, junto con un interruptor de rango, provee al instrumento de varias escalas de trabajo.
Voltímetro de CDVoltímetro de CDModelo práctico de resistencias multiplicadoras en un multímetro de rango múltiple.
Este sistema presenta la ventaja de que todos los resistores multiplicadores tienen resistencias normalizadas, excepto el primero.
Voltímetro de CDVoltímetro de CDEjemplo.
Un mecanismo básico D’Arsonval que tiene una resistencia interna, Rm =100 , y una corriente a escala completa Im=1 mA, se va a utilizar como voltímetro de CD con escalas 0-10V, 0-50V, 0-250V y 0-500V, calcule los valores de resistores para el modelo práctico.
Para la escala de 10 V:
Para la escala de 50 V:
9900100k10RRR
k10mA1
V10R
mT4
T
k40k10k50RRRR
k50mA1
V50R
m4T3
T
Voltímetros de CDVoltímetros de CDSensibilidad del voltímetro.
La sensibilidad S es esencialmente el recíproco de la corriente de deflexión a plena escala del mecanismo básico.
La sensibilidad S de un multímetro es una ventaja en el método de sensibilidad para el cálculo de la resistencia multiplicadora.
VI1
SSFD
ms
T
RVSR
VSR
Voltímetro de CDVoltímetro de CDEjemplo.
Un mecanismo básico D’Arsonval que tiene una resistencia Rm =100 , y una corriente Ifsd=1 mA. Para las escalas 0-10V, 0-50V, 0-250V y 0-500V calcule los valores de resistores para el modelo práctico.
k250k250V500V
1000RVSR
k200k50V250V
1000RVSR
k4010000V50V
1000RVSR
9900100V10V
1000RVSR
V1000
A001.01
I1
S
m1
m2
m3
m4
fsd
Voltímetro de CDVoltímetro de CDEfecto de carga
Cuando se conecta un voltímetro a través de dos puntos en un circuito altamente resistivo, actúa como derivador para esa parte del circuito, y por lo tanto reduce la resistencia equivalente en esa parte del circuito.
El medidor indicará un voltaje menor del que realmente existe antes de conectar el medidor
A este efecto se le llama efecto de carga del instrumento, y lo causan principalmente instrumentos de baja sensibilidad.
Voltímetro de CDVoltímetro de CDEjemplo
Se desea medir el voltaje a través de la resistencia de 50 k en el circuito de la siguiente figura empleando dos voltímetros, uno con S= 1000 /V y el otro S= 20000 /V
Analizando el circuito se tiene que el voltaje en la resistencia de 50 k es 50V, por tanto para S = 1000 /V, Rm=SxV =1000x50 =50k. La resistencia equivalente en ese punto disminuye a 25 k, lo que hace que el voltaje en ese punto sea
V30V150k125k25
V
Voltímetro de CDVoltímetro de CDRecomendaciones
Observar la polaridad correcta.
Conectar el voltímetro en paralelo con el circuito o componente cuyo voltaje se va a medir.
Utilizar la escala de mayor voltaje y posteriormente disminuirla hasta tener la lectura lo más cercana a la parte superior de la escala.
Considere el efecto de carga.
OhmetrosOhmetrosOhmetro tipo serie
Consta de un galvanómetro D’Arsonval conectado en serie con una batería y una resistencia.
21
2
2
mh
m
hh
R RR R
R R
EI
R
A media escala se tiene:
para deflexión a plena escala:
2
2t hh
t fsd
EI I
R
I I I
2 2
22
21
2
ó sh m sfd m
sfd m sfd m sfd m h
t sfd sfd h
sfd m hmh h
m
E E I R I R
I R I R I R RR
I I I E I R
I R RR RR R R
R R E
OhmetrosOhmetrosOhmetro tipo serie
Ejemplo: a) Calcule R1 y R2, b) el valor máximo de R2 para compensar la caída del 10% de la caída de voltaje de la batería, c) el error de escala en la marca de media escala para R2 máxima
Datos:Rm= 50
Ifsd = 1 mA
Rh = 2000
E = 3V
2
22
21
2
32 1.5mA
2000
1.5mA - 1mA 0.5mA
1mA 50100
0.5mA
50 1002000 1,966.7
50 100
t hh
t fsd
sfd m
mh
m
E VI I
R
I I I
I RR
I
R RR R
R R
a)
OhmetrosOhmetrosOhmetro tipo serie
Ejemplo: a) Calcule R1 y R2, b) el valor máximo de R2 para compensar la caída del 10% de la caída de voltaje de la batería, c) el error de escala en la marca de media escala para R2 máxima
Datos:Rm= 50
Ifsd = 1 mA
Rh = 2000
E = 3V
b)
c)
2
22
2.73 0.3 2.7 , 1.35mA
20000
1.35mA 1mA 0.35mA
1mA 50143
0.35mA
th
t sfd
sfd m
EE V V V I
R
I I I
I RR
I
21
2
50 1431966.7 2003.7
50 143
2000 2003.7% error 100% 0.185%
2003.7
mh
m
R RR R
R R
OhmetrosOhmetrosOhmetro tipo derivación
Consiste de una batería en serie con una resistencia de ajuste y un galvanómetro D´Arsonval.
Cuando Rx = ,
Para cualquier valor de Rx
1
1
fsdm
mfsd
EI
R R
ER R
I
1
1 1
/x
mm xm x m x
xm
m x m
REI
R RR R R R R
ERI
R R R R R
OhmetrosOhmetrosOhmetro tipo derivación
Expresando la corriente del medidor como fracción de corriente a plena escala
Definiendo:
A media escala:
1
1
1
1 1
x mm
fsd m x m x
x m
x m m
R R RIsI R R R R R
R R RsR R R R R
1
1
mp
m
R RR
R R
x
x p
RsR R
1 1
1
1
0.5 hfsd
m h m
mh
m
ERI
R R R R R
R RR
R R
Multímetro VOMMultímetro VOM
1. Interruptor de rango
2. Interruptor de función -DC, +DC, AC
3. Ajuste de Ohms
4. Jacks de conección
Multímetro VOMMultímetro VOM
Multímetro VOMMultímetro VOM
Multímetro VOMMultímetro VOM
Instrumentos de C.A.Instrumentos de C.A.
El galvanómetro D´Arsonval responde al valor promedio o de cd de la corriente que circula por la bobina móvil.
Para medir corriente alterna con un galvanómetro D´Arsonval, se deben diseñar algunos medios para obtener un par unidireccional que no se invierta en cada ciclo.
Un método es del de rectificación de c.a.
Otro método consiste en medir el efecto de calentamiento de la corriente alterna para producir una indicación de su magnitud.
Instrumentos de C.A.Instrumentos de C.A.Instrumentos tipo rectificador.
Utilizan un galvanómetro en combinación con un arreglo rectificador.La escala del medidor se calibra en término de los valores rms de una forma de onda senoidal.
Instrumentos de C.A.Instrumentos de C.A.Instrumentos tipo rectificador.
Ejemplo: Calcule el valor de la resistencia multiplicadora Rs para obtener una deflexión a plena escala con 10 Vrms
Datos:Rm= 50 Ω
Ifsd= 1 mA
2 2 20.9
0.9 10 9
dc m rms rms
dc
E E E E
E V V
Despreciando la resistencia del diodo
9 V9 k
1 mA9,000 50 8,950
t s m
s
R R R
R
Instrumentos de C.A.Instrumentos de C.A.Circuitos típicos de multímetro.
La bobina móvil del medidor tiene una resistencia de derivación Rsh con el objeto de que circule más corriente por el diodo D1 y así mover su punto de operación dentro de la parte lineal de su curva característica.
Instrumentos de C.A.Instrumentos de C.A.Ejemplo
Calcule el valor del multiplicador y la sensibilidad del voltímetro de ca
2 mA
0.45 0.45 10V 4.5V
4.5V2 250
2mA
t fsd s
dc rms
dct
t
I I I
E E
ER
I
1
100 100400 450
100 1002250 450 1800
m sht s D
m sh
t s s
s
R RR R R
R R
R R R
R
2250225 /V
10S
