UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
INSTRUMENTO DE BOBINA MOVIL
PROFESOR: Huber Murillo INTEGRANTES:
Vallejos Gonzales José Antonio
Caballero Castañeda Carlos
Olazabal Domínguez Alessandra
Cabrejos Espinoza Cesar Armando
Tapia Nuñez Ricardo
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INDICE I.
INDICE…………….………………………………………………………………………..... 1
II.
INTRODUCCION……………………………………………………………………………2
III. OBJETIVOS……………………………………………………………………………..……2 IV. MARCO TEORICO…………………………………………………………………………2 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO…………………………………….5 2. PRINCIPIOS FISICO DE OPERACIÓN DEL GALVANOMETRO….6 3. UTILIZACION COMO AMPERIMETRO Y VOLTIMETRO………….7 3.1.
AMPERIMETRO DE BOBINA MOVIL ………………….7
3.2.
VOLTIMETRO DE BOBINA MOVIL ……………………..9
4. GRADOS DE AMORTIGUAMIENTO……………………………………12 4.1.
AMORTIGUAMIENTO ELECTROMECANICO…….12
4.2.
AMORTIGUAMIENTO MECANICO………………….13
V. CONCLUSIONES ………………………………………………………………………..14 VI. RECOMENDACIONES………………………………………………………………….14 VII. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………14
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I.
INTRODUCCION Actualmente sabemos que los instrumentos de medición son de suma importancia, ya que proporcionan información de gran utilidad, las cuales son usadas en las múltiples áreas tales como control, mantenimiento, detección de problemas y entre otras que se encuentran tanto en la industria como en la ciencia quienes vienen creciendo a pasos agigantados. En el siguiente capítulo que a continuación desarrollaremos tendremos como eje principal a los instrumentos de bobina móvil, para este caso el más representativo será el Galvanómetro y a quien estudiaremos, ya que en la actualidad es el más usado debido a su precisión; teniendo en cuenta que este medidor básico es utilizado principalmente como amperímetro y voltímetro, y también en la detección de otras magnitudes eléctricas las cuales son usadas dentro del rubro eléctrico y electrónico, de ahí su importancia de conocerlos. Cabe recordar que un Galvanómetro está constituido principalmente por un imán estacionario permanente y una bobina móvil, que en su conjunto correspondería a un instrumento analógico, debido a que indica el valor medido con una aguja dentro de una escala, el cual es accionado por una corriente continua y a través de un rectificador para una corriente alterna, ya que esta corriente genera un campo magnético y como consecuencia ocasiona el movimiento de la aguja.
II.
OBJETIVOS Estudiar y detallar el funcionamiento de los instrumentos de bobina móvil mostrando sus características principales, clasificación, funciones y aplicaciones.
III.
MARCO TEORICO El instrumento de bobina móvil tiene como creador al francés Aserne D’
Arsonval, quien en 1822, tras estudios realizados para la cuantificación de la corriente y la tensión, inventó el muy conocido hasta la fecha GALVANOMETRO (instrumento de medición que consta de un imán estacionario permanente y una bobina móvil que posee una aguja el cual rota ante el paso de una corriente, indicado bajo cierta escala), pese al tiempo transcurrido, hasta la fecha se siguen usando debido a su precisión y su mecanismo sólido, ya que en un primer momento estaba limitado a la medición de corrientes de pequeña intensidad la cual fue modificándose al paso del tiempo. Es a partir de este tipo de mecanismo que surgieron los diversos instrumentos de bobina móvil que hoy por hoy son los indicadores de medición más usados en la industria y a la vez forma parte como base de la instrumentación actual.
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Actualmente con todos los avances tecnológicos, los instrumentos de medición se pueden dividir en dos grandes grupos:
Digitales. Analógicos o de aguja.
Los instrumentos digitales están configurados por un circuito netamente electrónico el cual imprime el valor de la medición de forma directa a través de un display, en la misma forma que realizan varios cálculos a la vez lo cual los hacen ser multifuncionales.
Imagen 1. Multímetro digital
Los instrumentos analógicos o de aguja están formados por un circuito electromecánico el cual posee una bobina, que se encuentra acoplada a un imán permanente y que indica los valores medidos a través de una aguja.
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Imagen 2. Miliamperímetro analógico. Existen una gran variedad de este tipo de instrumentos analógicos tales como:
Instrumento de hierro móvil: están vasados en el principio de inducción como en los motores jaula de ardilla ya que la corriente a medir pasa por una bobina que induce otra corriente sobre el núcleo de hierro moviendo así la aguja, este tipo de instrumento es apto para la medición de corriente alterna, pero la desventaja que tiene es la falta de linealidad motivo por el cual el inicio de la escala esta comprimida. Instrumento bobina móvil: están basados en la desviación de una bobina al interior de un imán que genera un campo magnético permanente, miden corriente continua y en situaciones de corriente alterna lo hacen previa una rectificación, dan una indicación proporcional a la cantidad de corriente a medir motivo por el cual tienen una alta linealidad. Instrumento bimetálico: se basan en la diferencia de dos tipos de metal debido al calentamiento por efecto Joule al paso de la corriente, son capaces de medir corrientes continuas y alternas o la combinación de ambas, tiene problemas de lectura debido a que la desviación de la aguja es proporcional al cuadrado de la corriente y pueden ser alterados por temperatura a la cual están expuestas. Instrumento de inducción o diferenciales: poseen igual funcionamiento al de hierro móvil, pero tienen dos bobinados
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antagónicos, debido a que el campo resultante es la diferencia entre ambos, son utilizados básicamente como voltímetros diferenciales.
Instrumento de láminas: se emplean principalmente como frecuencímetros su funcionamiento consta básicamente en la vibración por resonancia de una serie de láminas de metal.
1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Este tipo de indicadores son los más usados en cuanto a instrumentos analógicos ya que son los que tienen medidas con mayor exactitud debido a su gran sensibilidad que puede medir corrientes muy pequeñas, su linealidad es casi perfecta lo que minimiza los errores de medición en toda su escala. Esta bobina gira alrededor de un núcleo cilíndrico de material magnético y envolviendo a dicha bobina está el imán permanente con forma cóncava de dos piezas, de esta forma habrá una separación constante por donde se moverá la bobina móvil. La bobina móvil al girar, cortara las líneas de campos magnético generado por el imán permanente.
Imagen 3. Campo magnético de una bobina móvil. La magnitud y sentido de la fuerza que actúa sobre los lados de la bobina móvil, depende directamente de la corriente circulante por la bobina, de su número de espiras y del campo magnético que produce el imán permanente, estos tres factores son los elementos principales de la cupla motora de la bobina móvil. La bobina móvil esta bobinada sobre un marco de aluminio, es decir que envuelve a un marco de aluminio. en dicho marco están fijadas las puntas de los ejes. En el eje superior se encuentra la aguja indicadora, esta aguja se contrapesa para evitar que el peso de la aguja produzca un error de medición.
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Imagen 4. Embobinado en marco de aluminio.
Las puntas de los ejes son aisladas y se colocan dos espirales de bronce fosforoso que tiene por finalidad la conexión eléctrica de la bobina móvil con el circuito externo y producir la cupla antagónica. La cupla antagónica aplica una fuerza que va en contra la cupla motora para mantener el equilibrio en la medición y así obtener una cupla resultante igual a cero.
2. PRINCIPIOS FISICO DE OPERACIÓN DEL GALVANOMETRO El galvanómetro consta de una aguja indicadora, unida mediante un resorte espiral, al eje de rotación de una bobina rectangular plana, que está suspendida entre los polos opuestos de un imán permanente. En el interior de la bobina se coloca un núcleo de hierro dulce, con el fin de concentrar en ella las líneas de inducción magnética. Al estar la bobina sumergida en el interior de un campo magnético Imagen 5. Esquema de bobina móvil uniforme, creado por el imán fijo, cuando circula corriente por ella, se produce un par de fuerzas sobre la bobina que hace que rote, arrastrando consigo a la aguja unida a su eje.
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La aguja se mueve e indica en una escala, la intensidad de corriente que atraviesa la bobina. El resorte espiral permite que la aguja vuelva a su posición original, una vez que se interrumpe el paso de la corriente. Cuando fluye una corriente continua a través de la bobina, la bobina genera un campo magnético. El cuidadoso diseño de las piezas polares se asegura de que el campo magnético es uniforme, de modo que la deflexión angular del puntero es proporcional a la corriente. Un medidor útil generalmente contiene disposición para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y el puntero, de modo que el puntero se asienta rápidamente a su posición sin oscilación. La sensibilidad básica de un galvanómetro podría ser, por ejemplo, 100 microamperios escala completa. Tales medidores están calibrados a menudo para leer alguna otra cantidad que se puede convertir a una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados derivaciones, permite a un galvanómetro ser calibrado para medir las corrientes más grandes. Debido a que la aguja del medidor tiene normalmente una pequeña distancia por encima de la escala del medidor, produce un error de paralaje, pues puede ocurrir cuando el operador quiera intentar leer la línea de la escala que se "alinea" con el puntero. Para contrarrestar esto, algunos galvanómetros incluyen un espejo a lo largo de las marcas de la escala. La exactitud de la lectura de una escala de espejo se mejora desde cualquier punto y cualquier error de paralelaje tiende a ser minimizado, mientras que la lectura de la escala de modo que el puntero y la reflexión del puntero están alineados; en este punto, el ojo del operador debe estar directamente encima del puntero.
Formula 1
Imagen 6. Líneas de fuerza
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3. UTILIZACION COMO AMPERIMETRO Y VOLTIMETRO 3.1.
AMPERIMETRO DE BOBINA MOVIL
RESISTENCIA SHUNT: El funcionamiento del amperímetro se basa en un galvanómetro de bobina móvil, el cual está compuesto por una bobina pequeña y ligera, por lo cual se hace uso de una resistencia para limitar el paso de la corriente a través de la bobina. La resistencia Shunt es una resistencia pequeña que se emplea junto al sistema magnetoeléctrico del amperímetro para obtener una mayor escala de medición. DERIVACIÒN DE AYRTON: La escala de medición del amperímetro se puede extender mediante un grupo de resistencias de derivación(Shunt), seleccionadas por un selector de rango. Con lo cual amperímetro pasa a ser un amperímetro multigrano. En este circuito nuevo implementado por el amperímetro y las resistencias Shunt, la corriente que se mide, se bifurcan en el borne de unión en paralelo, en corrientes parciales, una que circula por el ramal de la bobina móvil y la otra por la resistencia Shunt.
Imagen 7. Representación de resistencias Shunt en paralelo para alcance de mayor escala.
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Imagen 8. Esquema de un AMPERIMETRO de BOBINA
3.2.
VOLTIMETRO DE BOBINA MOVIL
RESISTENCIA MULTIPLICADORA. Al hacer uso de una resistencia multiplicadora, se puede emplear el movimiento D`Arsonval como voltímetro DC. Esta resistencia limita el paso de la corriente de forma que no exceda la corriente la corriente de deflexión. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos, por lo cual debe ser conectado en paralelo al elemento a medir. El valor de la resistencia multiplicadora se calcula con base a la figura 5:
Imagen 9. Representación de resistencia multiplicadora en serie para alcance de mayor escala.
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Donde: : = = . = .
=
− …………………………. Ecuación N° 05
VOLTÌMETRO DE RANGO MÙLTIPLE. Generalmente la resistencia multiplicadora es incorporada internamente en el equipo, para alcances de escala de hasta 500V. Para tensiones más altas, las resistencias multiplicadoras son incorporadas externamente del circuito de esta manera evitar el calor excesivo en el equipo. Hasta 100K Ohm las resistencias son construidas de manganina; ya para valores mayores son construidas de carbón. Para hacer posible este equipamiento y permitir así varias escalas de trabajo, podríamos emplear un interruptor para conectar resistencias de diversas magnitudes en serie con el instrumento medidor.
Imagen 10. Esquema de un VOLTIMETRO de BOBINA MOVIL
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Imagen 11. Esquema de conexión del AMPERIMETRO y VOLTIMETRO
4. GRADOS DE AMORTIGUAMIENTO Se consideró al galvanómetro como un simple instrumento indicador, en donde la deflexión que nos muestra la aguja es directamente proporcional a la magnitud de la corriente aplicada en la bobina. Decimos que esto será adecuado mientras trabajemos en condiciones de estado estable, en donde queremos obtener una lectura confiable de la corriente directa. Sin embargo, en algunas aplicaciones el comportamiento dinámico del galvanómetro (velocidad de respuesta, amortiguamiento, sobretiro) es importante; por ejemplo, cuando aplicamos una corriente alterna o variante a un galvanómetro registrador, ese registro grafico producido por el movimiento de la bobina móvil incluirá las características de respuesta del elemento móvil y por lo tanto es importante considerar el comportamiento dinámico. Este comportamiento dinámico lo podremos observar mediante las interrupciones repentinas que tendrá la corriente aplicada, de esta manera veremos que la bobina regresará de su posición deflectada a la posición cero, esto es producto de la inercia del sistema móvil, la aguja pasará por
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el cero en dirección opuesta y después oscilara alrededor de cero, luego estas oscilaciones se irán reduciendo debido al amortiguamiento del elemento móvil, hasta que finalmente la aguja se detenga en la marca cero. A continuación, veremos los tipos de amortiguamientos:
4.1. AMORTIGUAMIENTO ELECTROMECANICO Este amortiguamiento es a causa de los efectos inducidos en la bobina móvil conforme va girando dentro del campo magnético. Es decir, existirá un tipo de frenado gracias a las corrientes parasitas que se formaran en el disco.
Imagen 12.
4.2.
AMORTIGUAMIENTO MECANICO Este será producido por el movimiento de la bobina a través del aire que la rodea lo que es independiente de la corriente eléctrica que circule por la bobina. La fricción que causa el movimiento de sus cojinetes y la flexión de los resortes de suspensión causada por la bobina giratoria también contribuyen a los efectos de amortiguamiento mecánico. El comportamiento del movimiento de la bobina dentro del campo magnético se caracteriza por presentar diferentes etapas de amortiguamiento. 1) El momento de inercia de la bobina sobre el eje de rotación. 2) El par opuesto que desarrolla la suspensión de esta bobina. 3) La constante de amortiguamiento. A continuación, veremos los tres tipos de comportamiento que nos muestra las siguientes curvas en el grafico
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mostrado, que se conocen como sobre amortiguamiento, subamortiguamiento y amortiguamiento crítico.
Imagen 13. Grados de amortiguamiento
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IV.
En I observamos que la bobina retorna lentamente a su posición estable sin sobrepasarse ni oscilar. La aguja se acerca a su posición inicial, este caso no es tan viable ya que se prefiere trabajar en los casos II y III. Esto será conocido como el sobre amortiguamiento. En II observaremos unas oscilaciones senoidales amortiguadas, luego como se muestra irán desapareciendo, esto lo determinaremos con la constante de amortiguamiento, el movimiento de inercia y el par opuesto producido por la suspensión de la bobina. Este es llamado subamortiguamiento. En III veremos como la aguja regresará con rapidez a su posición inicial, sin oscilar. Este caso es el amortiguamiento crítico.
CONCLUSIONES
En el presente trabajo logramos comprende, que cuando una bobina se energiza y por ella circula una corriente se convierte en un electroimán, dependiendo del sentido de la corriente tendremos un polo norte y sur, entonces al energizar la bobina el campo magnético hace que la aguja se mueva tratando de alinear al imán con el campo magnético de la bobina del galvanómetro Con los conceptos antes descritos podemos decir que el galvanómetro en la práctica es un tanto subamortiguado, lo que hace que la aguja después de llegar al reposo cause un sobretiro. con este método podríamos asegurar que el movimiento no se
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V.
RECOMENDACIONES
VI.
afecte por algún uso rudo y así compense alguna fricción ocasionada por el uso o el manteniendo del objeto. Si la aguja de la bobina móvil presenta mucha fricción en el pivote notaremos errores en la medición de este instrumento.
Para el caso de las mediciones con el instrumento de bobina móvil verificar siempre el voltaje máximo que pueda medir el galvanómetro ya que podríamos dañar el instrumento. Si diseñamos un instrumento de bobina móvil, debemos tener en cuenta relacionar el número de vueltas de la bobina con el voltaje máximo que mida este instrumento, ya que con esto podríamos calcular hasta cuanto queremos que mida nuestro galvanómetro.
BIBLIOGRAFIA
Donald G. Fink, H. Wayne Beaty, John M. Carroll – Manual práctico de electricidad para ingenieros. Cooper-Helfrick – Instrumentación Electrónica Moderna y técnicas de medición https://piezascaferacer.com (imagen 1) https://gmelectronica.com.ar (Imagen 2) http://www.emb.cl www.orlanrober.com.ar (imagen 3, imagen 4) https://gluones.wordpress.com (imagen 5, imagen 6 , formula 1)
