INFORME PRACTICA I
INSTRUMENTACION Y MEDICIONES
TUTOR ANDRES SAULO
EDGAR ALIRIO ORTIZ ABRIL JORGE LUIS LINDARTE
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD INGENIERÍA ELECTRÓNICA CEAD JAG ABRIL DE 2014
OBJETIVOS
Conocer el concepto y funcionamiento del Óhmetro. Conocer el concepto y funcionamiento del Voltímetro. Conocer el concepto y funcionamiento del Amperímetro. Desarrollar habilidades con simuladores para el montaje de circuitos.
GALVANÓMETRO DE D’ARSONVA Galvanómetro es el principal componente utilizado en la construcción de amperímetros y voltímetros dada la característica esencial de un tipo común, conocido como galvanómetro de D’Arsonval el cual está compuesto por una bobina de alambre montada de modo que pueda girar libremente sobre un pivote en un campo magnético proporcionado por un imán permanente. La operación básica del galvanómetro aprovecha el hecho de que un momento de torsión actúa sobre una espira de corriente en presencia de un campo magnético El momento de torsión experimentado por la bobina es proporcional a la corriente que circula por ella. Esto significa que cuanto más grande es la corriente, tanto mayor es el momento de torsión, así como el giro de la bobina antes de que el resorte tener lo suficiente para detener la rotación. Por tanto, la cantidad de inclinación o rotación de la bobina es proporcional a la corriente. Después de que el instrumento se calibra de manera apropiada, puede usarse junto con otros elementos de circuito para medir ya sea corrientes o diferencias de potencial (voltaje). Algunos instrumentos de laboratorio que emplean los movimientos de D' Arsonval pueden medir corrientes tan pequeñas como 1.0X 10-13 A.
FUNCIONAMIENTO La operación de este dispositivo se basa en la interacción de una corriente eléctrica DC y un campo magnético fijo. Los elementos básicos son: Una bobina móvil, a través de la cual circula la corriente DC. Un imán, que produce el campo magnético fijo. Un resorte, cuya función es servir de mecanismo equilibrado de la rotación de la bobina. Una aguja indicadora sujeta a la bobina móvil y una escala graduada mediante las cuales podemos realizar la lectura. La bobina móvil se encuentra en el campo magnético fijo producido por el imán permanente. En términos generales podemos explicar el funcionamiento del galvanómetro de la siguiente forma: Al circular la corriente I a través de la bobina, se produce un campo magnético que interacciona con el producido por el imán permanente, originando una fuerza F, la cual da lugar a un torque que hace girar la bobina en un sentido determinado. El movimiento dela bobina está compensado por el
resorte. La constante de dicho resorte determina el ángulo girado de la bobina para una corriente dada. Una vez definidas la magnitud del campo magnético B, la constante del resorte y la Por consiguiente la desviación de la aguja es directamente proporcional a la corriente que fluye en la bobina, siempre que el campo magnético sea uniforme y la tensión del resorte es lineal. En ese caso, la escala del medidor también es lineal. La exactitud de los movimientos de D' Arsonval que se emplean en los medidores comunes de laboratorio es de aproximadamente el 1% de la lectura de la escala completa. MULTIMETRO Un multímetro, también denominado polímetro, tester o multitester, es un instrumento eléctrico portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas como corrientes y potenciales (tensiones) o pasivas como resistencias, capacidades y otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una. Los hay analógicos y posteriormente se han introducido los digitales cuya función es la misma (con alguna variante añadida).Es un aparato muy versátil, que se basa en la utilización de un instrumento de medida, un galvanómetro muy sensible que se emplea para todas las determinaciones. Para poder medir cada una de las magnitudes eléctricas, el galvanómetro se debe completar con un determinado circuito eléctrico que dependerá también de dos características del galvanómetro: la resistencia interna (Ri) y la inversa de la sensibilidad. Esta última es la intensidad que, aplicada directamente a los bornes del galvanómetro, hace que la aguja llegue al fondo de escala .Además del galvanómetro, el polímetro consta de los siguientes elementos: La escala múltiple por la que se desplaza una sola aguja permite leer los valores de las diferentes magnitudes en los distintos márgenes de medida. Un conmutador permite cambiar la función del polímetro para que actúe como medidor en todas sus versiones y márgenes de medida. La misión del conmutador es seleccionar en cada caso el circuito interno que hay que asociar al instrumento de medida para realizar cada medición. Dos o más bornas eléctricas permiten conectar el polímetro a los circuitos o componentes exteriores cuyos valores se pretenden medir. Las bornas de acceso suelen tener colores para facilitar la corrección de las conexiones exteriores. Cuando se mide en corriente continua, suele ser de color rojo la de mayor potencial ( o potencial + ) y de color negro la de menor potencial( o potencial - ). La parte izquierda de la figura (Esquema 1) es la utilizada para medir en continua y se puede observar dicha polaridad. La parte derecha de la figura es la utilizada para medir en corriente alterna. El polímetro está dotado de una pila interna para poder medir las magnitudes pasivas. También posee un ajuste de cero necesario para la medida de resistencias.
AMPERIMETRO 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, llamadas hunt. 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 de los Amperímetros
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 hasta300 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 amperímetros de otras medidas eficientes. Electrodinámico: Los amperímetros con sistema de medida "electrodinámico" están constituidos por dos bobinas, una fija y una móvil. VOLTIMETRO
Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Podemos clasificar los voltímetros por los principios en los que se basa su funcionamiento. Voltímetros electromecánicos: Estos voltímetros, en esencia, están constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en voltios. Existen modelos para corriente continua y para corriente alterna. Voltímetros electrónicos: Añaden un amplificador para proporcionar mayor impedancia de entrada (del orden de los 20 mega ohmios) y mayor sensibilidad. Algunos modelos ofrecen medida de "verdadero valor eficaz" para corrientes alternas. Los que no miden el Diseño de un voltímetro de varias escalas con un galvanómetro Verdadero valor eficaz es porque miden el valor de pico a pico, y suponiendo que se trata de una señal sinusoidal perfecta, calculan el valor eficaz por medio de la siguiente fórmula:
Voltímetros vectoriales: Se utilizan con señales de microondas. Además del módulo de la tensión dan una indicación de su fase. Se usa tanto por los especialistas y reparadores de aparatos eléctricos, como por aficionados en el hogar para diversos fines; la tecnología actual ha permitido poner en el mercado versiones económicas y al mismo tiempo precisas para el uso general. Son dispositivos presentes en cualquier casa de ventas dedicada a la electrónica. Voltímetros digitales: Dan una indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo LCD. Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, detección de valor de pico, verdadero valor eficaz (RMS), auto rango y otras funcionalidades. OHMETRO Un Óhmetro, u Ohmímetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica. El diseño de un óhmetro 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 fija, 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.
DESARROLLO DE PRÁCTICAS 1. Diseñar e implementar un amperímetro de dc con derivación de Ayrton, para escalas de corriente de 10 mA. 100 mA, 1 A. Empleando un galvanómetro de D’Arsonval.
AMPERÍMETRO IDEAL. Aquel que posee resistencia interna cero.
Ampliación de la escala de medición. Una resistencia derivada o “shunt” permite desviar parte de la corriente a medir.
El instrumento mide solo una porción de la corriente total, siempre menor a su corriente máxima permisible.
Derivación De Ayrton.
La escala de corriente del amperímetro CD se puede extender mediante varias resistencias de derivaciones, seleccionadas por un interruptor de rango . Tal medidor se llama amperímetro multirango. La derivación universal 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. La derivación de Ayrton da una excelente oportunidad para aplicar la teoría de los circuitos básicos a circuito práctico. Para el desarrollo de la práctica se utilizó un galvanómetro D´Arsonval con una resistencia interna de 100 Ohmios y un rango de medición máxima de 1 mA Se emplea el siguiente circuito
Como los rangos son 1A, 100mA y 10mA, entonces los respectivos valores de n para los cálculos son: n(1Amp)=1A / 1mA = 1000
n(100mA)= 100mA/1mA = 100 n(10mA)= 10mA/1ma = 10
En este orden de ideas para calcular Rs en el rango más pequeño (10mA) Rs=Rm/n-1, entonces Rs=50 Ohmios/9 Rs=5,55 Ohmios Ahora para el rango de 100mA Rs=50/99= 0,5 Ohmios Y para el rango de 1A Rs=50/999=0,05 Ohmios
Según el circuito RS1+RS2+RS3=5,55 Ohmios RS2+RS3=0,5 Ohmios RS3=0,05 Ohmios, por lo tanto RS2=0,45 Ohmios y RS1=5,05 Ohmios. Sin embargo encontramos los siguientes valores comerciales para la implementación. RS1=4,7 Ohmios RS2=0,47 Ohmios RS3=0,05 Ohmios Los valores reales medidos con Óhmetro (tolerancia del 10%) RS1=4,5 Ohmios RS2=0,44 Ohmios RS3=0,05 Ohmios (Shunt)
Al montar el circuito y medir diferentes corrientes con el amperímetro experimental y otro profesional se obtiene la siguiente tabla:
Corriente 900 mA 80mA 5mA
Multímetro experimental 891mA 81mA 5,7mA
Multímetro profesional 900 mA 80mA 5mA
2. Diseñe un voltímetro de cd multirrango empleando un galvanómetro de D’Arsonval son escalas de medición de voltaje: 0:10Vdc; 0:20Vdc;
0:50Vdc Se emplea el circuito de la figura, este corresponde a un multímetro multirrango donde se selecciona una de tres resistencias multiplicadoras.
El voltaje a plena escala del instrumento corresponde a la fórmula: V=Im(Rs+Rm) Donde Rs corresponde a las resistencias multiplicadoras. Tomando como base el mismo galvanómetro del primer punto, se obtienen los siguientes valores de Rs para los diferentes rangos. Se hará el cálculo para el rango de 50Vdc 50V=1mA(Rs+100 Ohmios) Al despejar Rs se obtiene que esta es igual Rs=(50V/1mA) – 100 Ohmios Rs=49900 Ohmios Para el rango de 20Vdc Rs=19900 Ohmios Para el rango de 10Vdc Rs=9900 Ohmios
Para el montaje se ubican valores comerciales cercanos, estas resistencias tienen tolerancia del 5% R1=47KOhmios R2=18KOhmios
R3=10KOhmios
Los valores medidos con el Óhmetro son: R1=49KOhmios R2=18,5KOhmios R3=10KOhmios
Al realizar el montaje y medir con voltímetro experimental y profesional, se obtiene: Voltaje 33Vdc 15Vdc 5Vdc
Multímetro experimental 31Vdc 14Vdc 5,4Vdc
Multímetro profesional 33Vdc 15Vdc 5Vdc
3. Diseñe un ohmímetro empleando galvanómetro de D’Arsonval, realice la medición de resistencias de 1KΩ, 3,3KΩ, 6,8KΩ, 10KΩ
Se implementa un óhmetro tipo serie como el de la figura
El óhmetro tipo serie consta de un galvanómetro o movimiento D'Arsonval conectado en serie con una resistencia y una batería, con un par de terminales a los cuales se conecta la resistencia desconocida. La corriente que circula a través del galvanómetro depende de la magnitud de la resistencia desconocida y la indicación del medidor es proporcional a su valor. Si Rx es infinito, es decir el circuito está abierto, el galvanómetro marca cero porque no hay corriente, este valor corresponde a resistencia infinita. Si Rx es un corto el galvanómetro marcará escala máxima, pero esta corresponde a resistencia cero. Con una Fuente de E de 9Vdc. La resistencia R1 se utiliza para limitar la corriente, para nuestro caso R1=9Vdc/1mA Entonces R1 es igual a 9KΩ
Tenemos que decir que al implementar el circuito la escala de medidas no es lineal, por lo tanto se marcan las escalas haciendo diferentes mediciones y comparando con un multímetro calibrado.
De acuerdo con las mediciones se obtiene la siguiente tabla: Código de colores
Medidor (Aprox)
Marrón,negro,rojo,plata Naranja,naranja,rojo,plata Azul,gris,rojo,plata Marrón,negro,naranja,plata
1KΩ 3KΩ 6KΩ 9KΩ
experimental Medidor profesional 1,1KΩ 3,2KΩ 6,1KΩ 9,3KΩ
CONCLUSIONES -
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Los instrumentos de medición análogos tiene problemas de precisión en la lectura, ya que depende del punto de vista del observador. Las resistencias varían en cuanto a su valor comercial de acuerdo con el porcentaje de tolerancia definido en su cuarta franja, este rango puede estar por encima o por debajo. La corriente se debe medir en serie con el circuito observado. El voltaje se debe medir en paralelo con el circuito observado. Los óhmetros análogos tienen problemas de linealidad, sobre todo en los valores más altos de resistencia.
