UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y ADISTANCIA UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA
CURSO INSTRUMENTACION Y MEDICIONES
INTRODUCCION
En la industria existen actualmente una gran cantidad de instrumentos eléctricos de aguja capaces de medir los parámetros más variados: corriente, voltaje, temperatura, presión, etc. Desde el punto de vista puramente externo (lo que podemos observar si nos acercamos a un panel donde están dichos instrumentos de medición) todos ellos presentan ciertas características en común: Constan de una escala graduada en las unidades correspondientes y de una aguja indicadora mediante la cual podemos realizar la lectura de la variable en un momento dado. Desde el punto de vista del funcionamiento, todos estos instrumentos se basan en la utilización de un mismo dispositivo: el galvanómetro de D'Arsonval, cuya principal característica es producir la deflexión de una aguja cuando a través de él circula una corriente continua, proporcional a la magnitud de la variable que se está midiendo. Siguiendo los principios del galvanómetro de D'Arsonval es posible la construcción de amperímetros voltímetros y ohmiómetro, de hecho, estos instrumentos en su versión análoga contienen un galvanómetro. En el presente trabajo colaborativo se verán reflejados los procedimientos necesarios para conocer el funcionamiento básico del Galvanómetro D’Arsonval, mediante el desarrollo de las practicas aprenderemos a utilizar este en diferentes configuraciones y así poder utilizarlo como amperímetro, voltímetro y óhmetro, en el laboratorio desarrollaremos los cálculos necesarios para lograr nuestro objetivo y luego la practica sobre estos resultados. Con la práctica podremos entender el funcionamiento interno de un multimetro el cual contiene estos tres aparatos de medición.
OBJETIVOS
Tener conocimiento a cerca de los circuitos de medición análoga, establecer el funcionamiento del galvanómetro D’Arsonval y comprender la importancia de su configuración en la implementación de instrumentos modernos de medición. Implementar un amperímetro, voltímetro y ohmiómetro, a partir del galvanómetro D’Arsonval, el conocimiento de su funcionamiento, sus condiciones de diseño y la teoría de circuitos dc. Entender la forma en la que las relaciones de corriente, voltaje y resistencia se conjugan para calcular los valores teóricos del diseño del amperímetro, voltímetro y ohmiómetro, logrando que este sea versátil a través de diferentes escalas. Comparar los resultados de las mediciones obtenidos en la práctica con el multimetro. Distinguir las características del Galvanómetro D’Arsonval y de esta manera utilizar diferentes configuraciones para la utilización de este como amperímetro. Distinguir las características del Galvanómetro D’Arsonval y de esta manera utilizar diferentes configuraciones para la utilización de este como voltímetro. Distinguir las características del Galvanómetro D’Arsonval y de esta manera utilizar diferentes configuraciones para la utilización de este como óhmetro. Identificar los objetivos del modulo de Instrumentación y Medición de cada una de sus unidades.
GALVANOMETRO DE D’ARSONVAL
Marco teórico
Origen Originalmente, los galvanómetros se basaron en el campo magnético terrestre para proporcionar la fuerza para restablecer la aguja de la brújula; denominados galvanómetros "tangentes". Más tarde, los instrumentos del tipo "estático" usaron imanes en oposición, lo que los hizo independientes del campo magnético de la Tierra y podían funcionar en cualquier orientación. La forma más sensible, el galvanómetro de Thompson o de espejo, fue inventado por William thomson. En lugar de tener una aguja, utilizaba diminutos imanes unidos a un pequeño espejo ligero, suspendido por un hilo. Se basaba en la desviación de un haz de luz muy magnificado debido, a corrientes pequeñas. Alternativamente, la deflexión de los imanes suspendidos se podía observar directamente a través de un microscopio. La capacidad de medir cuantitativamente el voltaje y la corriente en los galvanómetros permitió al físico Georg Ohm formular la ley de Ohm. El primer galvanómetro de imán móvil tenía la desventaja de ser afectado por cualquier imán u objeto de hierro colocado en su cercanía, y la desviación de su aguja no era proporcionalmente lineal a la corriente. En 1882, Jacques Arsène d'Arsonval desarrolló un dispositivo con un imán estático permanente y una bobina de alambre en movimiento, suspendida por resortes en espiral. El campo magnético concentrado y la delicada suspensión hacían de éste un instrumento sensible que podía ser montado en cualquier posición. En 1888, Edward Weston desarrolló una forma comercial de este instrumento, que se convirtió en un componente estándar en los equipos eléctricos. Este diseño es casi universalmente utilizado en medidores de veleta móvil actualmente.
El amperímetro
Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico. Un micro amperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un miliamperímetro en milésimas de amperio. Si hablamos en términos básicos, el amperímetro es un simple galvanómetro (instrumento para detectar pequeñas cantidades de corriente) con una resistencia en paralelo, llamada shunt. Disponiendo de una gama de resistencias shunt, podemos disponer de un amperímetro con varios rangos o intervalos de medición. Los amperímetros tienen una resistencia interna muy pequeña, por debajo de 1 ohmio, con la finalidad de que su presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a un circuito eléctrico. El aparato descrito corresponde al diseño original, ya que en la actualidad los amperímetros utilizan un conversor analógico/digital para la medida de la caída de tensión en un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída por un microprocesador que realiza los cálculos para presentar en un display numérico el valor de la corriente eléctrica circulante.
Clasificación Los sistemas de medida más importantes son los siguientes: magnetoeléctrico, electromagnético y electrodinámico, cada una de ellas con su respectivo tipo de amperímetro.
Magnetoeléctrico Para medir la corriente que circula por un circuito tenemos que conectar el amperímetro en serie con la fuente de alimentación y con el receptor de corriente. Así, toda la corriente que circula entre esos dos puntos va a pasar antes por el amperímetro. Estos aparatos tienen una bobina móvil que está fabricada con un hilo muy fino (aproximadamente 0,05 mm de diámetro) y cuyas espiras, por donde va a pasar la corriente que queremos medir, tienen un tamaño muy reducido. Por todo esto, podemos decir que la intensidad de corriente, que va a poder medir un amperímetro cuyo sistema de medida sea magnetoeléctrico, va a estar limitada por las características físicas de los elementos que componen dicho aparato. El valor límite de lo que podemos medir sin temor a introducir errores va a ser alrededor de los 100 miliamperios, luego la escala de medida que vamos a usar no puede ser de amperios sino que debe tratarse de miliamperios. Para aumentar la escala de valores que se puede medir podemos colocar resistencias en derivación, pudiendo llegar a medir amperios (aproximadamente hasta 300 amperios). Las resistencias en derivación pueden venir conectadas directamente en el interior del aparato o podemos conectarlas nosotros externamente.
Electromagnético Están constituidos por una bobina que tiene pocas espiras pero de gran sección. La potencia que requieren estos aparatos para producir una desviación máxima es de unos 2 vatios. Para que pueda absorberse esta potencia es necesario que sobre los extremos de la bobina haya una caída de
tensión suficiente, cuyo valor va a depender del alcance que tenga el amperímetro. El rango de valores que abarca este tipo de amperímetros va desde los 0,5 A a los 300 A. Aquí no podemos usar resistencias en derivación ya que producirían un calentamiento que conllevaría errores en la medida. Se puede medir con ellos tanto la corriente continua como la alterna. Siendo solo válidas las medidas de corriente alterna para frecuencias inferiores a 500 Hz. También se puede agregar amperimetros de otras medidas eficientes.
Electrodinámico Los amperímetros con sistema de medida "electrodinámico" están constituidos por dos bobinas, una fija y una móvil.
Utilización Para efectuar la medida es necesario que la intensidad de la corriente circule por el amperímetro, por lo que éste debe colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente. El amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible con la finalidad de evitar una caída de tensión apreciable (al ser muy pequeña permitirá un mayor paso de electrones para su correcta medida). Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, están dotados de bobinas de hilo grueso y con pocas espiras. En algunos casos, para permitir la medida de intensidades superiores a las que podrían soportar los delicados devanados y órganos mecánicos del aparato sin dañarse, se les dota de un resistor de muy pequeño valor colocado en paralelo con el devanado, de forma que solo pase por éste una fracción de la corriente principal. A este resistor adicional se le denomina shunt. Aunque la mayor parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, la pequeña cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad total por lo que el galvanómetro se puede emplear para medir intensidades de varios cientos de amperios. La pinza amperimétrica es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la intensidad de la corriente.
Figura 1.- Conexión de un amperímetro en un circuito
En la Figura 1 mostramos la conexión de un amperímetro (A) en un circuito, por el que circula una corriente de intensidad (I), así como la conexión del resistor shunt (RS). El valor de RS se calcula en función del poder multiplicador (n) que queremos obtener y de la resistencia interna del amperímetro (RA) según la fórmula siguiente:
Así, supongamos que disponemos de un amperímetro con 5 Ω de resistencia interna que puede medir un máximo de 1 A (lectura a fondo de escala). Deseamos que pueda medir hasta 10 A, lo que implica un poder multiplicador de 10. La resistencia RS del shunt deberá ser:
Ohmímetro
El diseño de un ohmímetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje a la resistencia bajo medida, para luego mediante un galvanómetro medir la corriente que circula a través de la resistencia. La escala del galvanómetro está calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser el voltaje de la batería fijo, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa. Existen también otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad constante I, la cual se hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Luego, mediante otro circuito se mide el voltaje V en los extremos de la resistencia. De acuerdo con la ley de Ohm el valor de R vendrá dado por:
Para medidas de alta precisión la disposición indicada anteriormente no es apropiada, por cuanto que la lectura del medidor es la suma de la resistencia de los cables de medida y la de la resistencia bajo prueba. Para evitar este inconveniente, un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. 2 terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.
DISEÑO DE UN AMPERIMETRO DE 10 mA 100 mA, 1 A.
Resistencia interna del galvanómetro es de 3000 Ω, La corriente que pasa por el galvanómetro es 0.025 A. = 0.025 ∗ 3000 = 75
De 0 a 10 mA, 10 mA = 0.01A 0.01A – 0.025 = 0.015. R1 = V/I R1= 75V/0.015 A R1= 5000 Ω
De 0 a 100 mA Para R2 100 mA = 0,1 A
0.1A - 0.025A = 0.075. R2 = V/I R2= 75 v/0.075 A R2=1000 Ω
De 0 a 1 A Para R3 que va de 0 a 1 A 1 A- 0.025 A= 0.975 A R3 = V/I R3= 75 v/0.975 A R3=76.92 Ω
DISEÑO DEL VOLTIMETRO CD MULTIRRANGO (ESCALA 0-10; 0-20; 0-50) 1. Utilizaremos un potenciómetro para ajustarlo a 10 V VOLTAGE =10 V 2. Utilizaremos una resistencia de 1KΩ mas la resistencia interna del galvanómetro de 2Ω Café 1 Negro 0 Rojo 2 Dorado 1KΩ = 1000 Ω
1000Ω + 2Ω = 1002Ω
Hallamos la intensidad con la ley de ohm
I=V/R I= 10V / 1002Ω
I= 0.01 A = 10 mA 3. Ahora procedemos a hallar el valor que toman estas Resistencias con las diferentes escalas de voltajes
Escala de 0-10V V = 10 I = 0.01A R1 =?
R1 = (10V / 0.01A) - 2Ω R1 = 1000Ω - 2Ω = 998Ω
R1 = 998 Ω
R1 = 998 Ω
Ri: 2Ω
Escala 0 - 20V V = 20 I = 0.01A R1 =?
R1 = (20V / 0.01A) – 2Ω R1= 2000Ω - 2Ω= 1998Ω
R1 = 1998Ω
R1 = 1998Ω
Ri: 2Ω
Galvanómetro
I= 0.01A
Escala de 0 - 50 V V= 50 I = 0.01A
R1 =?
R1 = (50V / 0.01A) - 2Ω R1 = 5000Ω – 2Ω = 4998Ω
R1 = 4998Ω
R1 = 4998Ω
Ri: 2Ω
MULTIRRANGO
Como para las escalas de 20 y 50 quedan resistencias en serie, entonces se calcula de la siguiente forma R1= 998Ω R2= 1998Ω. R3= 4998Ω.
1998Ω - 998Ω = 1000Ω 4998Ω - 998Ω - 1000Ω = 3000Ω
MULTIRRANGO
= /
=
=
( + )Ω Ω
= .
=
=
( + + )Ω Ω
= .
=
=
( + + + )Ω Ω
= .
DISEÑO DE UN OHMIOMETRO EMPLEADO CON UN GALVANOMETRO D´ARSONVAL
1KΩ = 1000Ω = café, negro, rojo. 3.3KΩ = 3300Ω = naranja, naranja, rojo 6.8KΩ = 6800Ω = azul, plateado, rojo 10K Ω = 1000 = café, negro, naranja
DISEÑO DE UN OHMIOMETRO EMPLEADO CON UN GALVANOMETRO D´ARSONVAL
RESISTENCIA 1KΩ
RESISTENCIA 3.3KΩ
DISEÑO DE UN OHMIOMETRO EMPLEADO CON UN GALVANOMETRO D´ARSONVAL
RESISTENCIA 6.8KΩ
RESISTENCIA 10KΩ
CONCLUSIONES
Básicamente, todos los instrumentos que requieran de un medio de interpretación de características físicas usan un galvanómetro. Este lo diseño el francés Arsen D’Arsonval en 1882 y lo llamó así en honor del científico italiano Galvini. En esencia, el medidor es un dispositivo que consta de un imán permanente y una bobina móvil. Todos los cálculos se hicieron teóricamente utilizando los conceptos ye estudiados como lo son la ley de Ohm, las diferentes medidas físicas
BIBLIOGRAFIA Saulo Andrés Gómez Hernández (2008), Modulo Instrumentación y Mediciones
