¿Qué son las Mediciones Eléctricas?


Bajo el concepto de medir se entiende la acción de registrar numéricamente la magnitud de una cantidad cuyo conocimiento interesa. Este registro adquiere significado cuando se compara la magnitud correspondiente con una unidad apropiada. La magnitud de medida es aquella magnitud física, química o de cualquier otra naturaleza, que se pretende medir.


En los métodos de medida se aprovechan determinadas propiedades o efectos del objeto de la medición, para relacionar, mediante un equipo de medida apropiado, la magnitud correspondiente con una unidad definida, o con un valor prefijado. El valor de la medida es el de la magnitud de medida determinado con ayuda de un equipo o instrumento adecuado para ese fin; se le expresa como el producto del valor numérico por la unidad correspondiente. Por ejemplo:



El equipo de medida es el conjunto de todos aquellos componentes con los que se realiza un método de medida basado en un principio determinado. Cuando el equipo consta de una sola unidad, se le denomina instrumento de medida; sin embargo, también se designan como instrumento de medida a aquellas partes de un equipo que son determinantes para las propiedades de medición (patrones de medida, transformadores de corriente, amplificadores).


Los restantes componentes de un equipo de medida, que no tienen influencia en las propiedades de medición, reciben el nombre de aparatos auxiliares o accesorios (fuentes de energía, elementos de ajuste, elementos de unión eléctrica, amplificadores de valor cero, etc.).



Polímetros (multímetros).


Los elementos de una instalación o equipo de medida que pueden ser identificados por la función que cumplen (transductores, detectores, elementos de transformación y elaboración, emisores) no siempre forman componentes propios de aparatos. Entre los elementos de un equipo se transmiten las llamadas señales de medida, que constituyen una medida de la magnitud, pero que pueden ser de naturaleza física diferente a la de esta última. Por ejemplo, fuerzas o torques, como medida de la corriente eléctrica que pasa a través de un sistema; corriente que entrega en su salida un amplificador, como medida de la tensión aplicada en su entrada; tensión de efecto Hall detectada en una placa conductora, como medida de la corriente que circula por ella, etc.


Los instrumentos básicos de medidas eléctricas son:


Galvanómetro: instrumento detector de cero señal
Amperímetro: medidor de corriente eléctrica
Voltímetro: medidor de diferencia de potencial
Wáttmetro: Medidor de potencia activa
Cosenofímetro: medidor de factor de potencia
Secuencímetro: indicador de secuencia de fases en sistema trifásico
Frecuencímetro: medidor de frecuencia de señal alterna
Osciloscopio: visualizador de onda y medidor de diferencia de potencial
Circuitos puente: medidores de parámetros de resistencia, capacitancia e inductancia


Instrumentos Analógicos y Digitales


Es posible distinguir dos tipos de mediciones, basándose en la forma como se representa o registra el valor de la medida: mediciones analógicas y mediciones digitales.


En las mediciones analógicas se representa y registra en forma continua cualquier valor de la magnitud de medida, dentro de un cierto rango previsto de antemano. Por lo tanto, la señal o indicación de medida puede presentar cualquier valor que está comprendido dentro del rango de señales que corresponde al de medida.



Vatímetro analógico.


En las mediciones digitales (o numéricas) sólo se puede representar en forma discontinua valores discretos de la magnitud de medida, con una graduación más o menos fina. El valor de medida se obtiene por intermedio de indicadores de cifras (displays) o impresores. Como la mayor parte de las magnitudes de medida pueden variar en forma continua, se las debe cuantizar primeramente, es decir, el rango de medida se divide en pequeños intervalos y a cada uno de ellos se le asigna una señal de medida discreta.



Equivalente digital de una señal análogica.


La exactitud de los métodos de medición digital depende casi exclusivamente de lo fina que sea la cuantización, y se la puede aumentar arbitrariamente, pero para ello se requiere instrumentos más costosos. La principal ventaja de los métodos de medición digital radica en la posibilidad de almacenar las señales de medida cuantizadas, para luego elaborarlas o procesarlas sin que se produzcan errores adicionales.



Señal análogica digitalizada con cuantización diferente.


Instrumentos de imán permanente y bobina móvil


Los instrumentos de imán permanente y bobina móvil (I.P.B.M.), conocidos también como tipo d’Arsonval, son los más usados en medidas de corriente continua, como voltímetros y amperímetros; se caracterizan por ser fácilmente transportables, su calibración es casi permanente, y su uso es sencillo.


El instrumento se compone de una bobina móvil formada por un gran número de espiras de alambre muy delgado, la que puede girar dentro del entrehierro de un imán permanente. La suspensión de este sistema móvil es, generalmente, de eje y dos descansos. Cuando la bobina es recorrida por una corriente, se produce sobre ella un torque deflectante que tiende a hacerla girar en contra de un torque resistente que se obtiene usualmente por torsión de un resorte espiral. Entonces puede suponerse que el torque resistente es proporcional al ángulo de torsión del resorte; en la práctica, los resortes espiral suelen aprovecharse para conducir la corriente a través de la bobina móvil.


La experiencia de Oersted como se ha mencionado, fue fundamental en la historia del electromagnetismo. También la podemos considerar como la precursora de los aparatos de medida de la corriente eléctrica. Recordemos que en dicho experimento se coloca una aguja imantada debajo de un hilo conductor por el cual circula una corriente cuya intensidad se desea medir. El hilo conductor y la aguja están alineados con la dirección norte-sur cuando no pasa corriente por el conductor (figura de la izquierda). La desviación de la aguja constituye una medida de la intensidad de la corriente que circula por el hilo conductor (figura de la derecha).



Desviación de la aguja.


Hemos visto que el momento (fuerza) producido por un campo magnético sobre una espira es directamente proporcional a la intensidad de la corriente que circula por ella. Este hecho explica el funcionamiento del galvanómetro.



Campo magnético sobre una espira.


Tanto los amperímetros como los voltímetros de corriente continua de I.P.B.M. (Imán Permanente, Bobina Móvil) son instrumentos indicadores de corriente porque su deflexión depende de la corriente que circula por la bobina móvil. Como los resortes de retención sirven para conducir la corriente que pasa por la bobina, la capacidad de corriente de éstos puede llegar a imponer un límite para la corriente de la bobina; ese límite corresponde a aquella corriente que puede circular por los resortes sin incrementar apreciablemente su temperatura debido a la disipación de potencia P = i²R ya que un consumo elevado significa una alteración excesiva del circuito bajo medición, y también una alteración mecánica de los resortes. Para obtener rangos de corrientes elevadas en ampérimetros (por sobre 20 mA) el elemento móvil (bobina + resortes) es conectado internamente en paralelo con un shunt (un resistor) de muy baja resistencia, por el que se deriva la mayor parte de la corriente que pasa a través del instrumento.



Otra imagen de un instrumento de imán permanente y bobina móvil.


Sólo en los microamperímetros y miliamperímetros de rangos no mayores que 20 mA toda la corriente circula a través de la bobina móvil. En los voltímetros, cualquiera sea su rango, la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia interna alta, la que tiene por objeto limitar la magnitud de la corriente que circula por la bobina. En los amperímetros y en los voltímetros el respectivo mecanismo de limitación de corriente por la bobina tiene también por efecto minimizar la alteración que introduce el instrumento en el circuito al que se encuentra conectado.


Un grupo de instrumentos de imán permanente y bobina móvil, de particular interés, lo constituyen aquellos en que la bobina móvil se ha separado en dos bobinas dispuestas en 90° físicos y una de ellas se conecta en serie con una resistencia de valor elevado. De este modo, se consigue que por una bobina circula una señal proporcional a la corriente por el elemento a medir y por la otra bobina circula una señal proporcional al voltaje aplicado al elemento a medir. Se consigue un medidor de resistencia eléctrica. Dependiendo de la magnitud de resistencia a medir, podemos distinguir el medidor tradicional, para rango intermedio, el meghómetro, para medida de muy altos valores (p.e. resistencia de aislación) y el ducter, para muy bajos valores (p.e. resistencia de contacto).



Galvanómetro diferencial o Medidor de resistencia convencional.



Megóhmetro o Medidor de resistencia de aislación.


¿Cómo funciona? El sistema de medida lo constituyen principalmente dos bobinas solidarias entre sí, una de potencial (P) y otra de corriente (C). Cuando no hay resistencia conectada a los bornes, sólo hay corriente en la bobina P, y aparece un torque que orienta la aguja a la posición “infinito”. Si la resistencia fuera cero (bornes cortocircuitados), sólo habría corriente en C, lo que haría a su vez que el torque de ella llevara la aguja a la posición cero. Para cualquier otro valor finito de la resistencia conectada en bornes, el sistema móvil adoptará una posición de equilibrio de torque, pudiéndose leer directamente el valor Ohms o Megohms (dependiendo de la escala).


Instrumentos electro dinamométricos


El principio electro dinamométrico es de gran importancia porque, al disponer de dos circuitos independientes, permite ser aplicado no sólo en voltímetros y amperímetros, sino que también en instrumentos medidores de potencia activa (vatímetros) y potencia reactiva (varmetros). Este tipo de instrumento hace uso de campos magnéticos producidos por dos bobinas, una fija y otra móvil (en algunos casos el elemento móvil puede tener dos bobinas), cada una de las cuales es portadora de corriente que es función de la corriente o el voltaje que se desea medir; la reacción entre los campos de la bobina fija y móvil proporciona el torque deflectante del sistema móvil, que es compensado por resortes espiral que también son empleados para llevar la corriente a la bobina móvil.


En los instrumentos I.P.B.M. el imán evita el consumo de potencia externa para generar el campo; por lo tanto, resulta evidente que el movimiento electro dinamométrico requiere de un consumo de potencia más elevado para su operación. Además, la densidad de flujo generada por la bobina fija es mucho menor que la densidad obtenible con imanes permanentes, por lo que la sensibilidad del instrumento es menor, característica que obliga a emplear un sistema móvil liviano y apoyos con un nivel de roce muy pequeño. Sin embargo, el principio electro dinamométrico encuentra importantes aplicaciones como instrumento de transferencia en la calibración de vóltmetros y ampérmetros, y como wáttmetros; tales usos se extienden desde corriente continua hasta algunos Kilo Hertz en ciertos diseños especiales.


Cualitativamente, la operación puede explicarse en términos del instrumento d’Ansorval, donde el imán permanente es reemplazado por un electroimán. La bobina fija está dividida en dos enrollados simétricos y genera un campo aproximadamente uniforme en la región ocupada por la bobina móvil. Usualmente se denomina “ bobina de corriente” a la bobina fija y “ bobina de potencial” a la bobina móvil.


Conectando las bobinas fijas y móvil en serie, se puede obtener un amperímetro:



Amperímetro electro dinamométrico.


Si se agrega una resistencia serie elevada, el amperímetro se convierte en un voltímetro. Por la relación entre la variable angular y la variable a medir, este instrumento es aplicable tanto para señales alternas como continuas.



Wattímetro electro-dinamométrico.


Una de las aplicaciones más comunes del principio electro dinamométrico es la medición de potencia de corriente continua y de corriente alterna, para cualquier forma de onda de corriente y voltaje, hasta cierto límite máximo de frecuencia. En el wattímetro electro-dinamométrico, la deflexión de la aguja es proporcional al valor medio del producto entre la corriente y el voltaje aplicado al elemento a medir, es decir a su potencia efectiva.


Otro instrumento de esta familia es el cosenofímetro, o medidor de factor de potencia:



Cosenofímetro.


En este instrumento, se busca que las corrientes por las bobinas móviles estén desfasadas 90° entre sí; con este propósito, se incorpora en serie con una de ellas un resistencia con mínimo efecto inductivo y en serie con la segunda bobina una inductancia con mínimo efecto resistivo. En realidad el cosenofímetro mide directamente el ángulo de desfase entre voltaje y corriente; sin embargo, la escala del instrumento se calibra en cos φ de modo de entregar directamente el factor de potencia.


Instrumentos de hierro móvil


Los voltímetros y amperímetros de uso industrial más comunes son de hierro móvil porque presentan una precisión suficiente (mejor que 1%) para la mayoría de las aplicaciones, y son más baratos y resistentes que los instrumentos de I.P.B.M. y electro dinamométricos de precisión similar. Son aplicables en medidas de corriente continua y corriente alterna, con la ventaja adicional que el sistema móvil no conduce corriente.


El principio de funcionamiento es el siguiente: un elemento o aspa de hierro o acero de alta permeabilidad forma el elemento móvil del instrumento y puede moverse en el interior del campo magnético de un electroimán fijo constituido por una bobina y una estructura de hierro, cuya excitación proviene de la corriente o el voltaje a medir. Cuando circula corriente a través de la bobina, el aspa se mueve de manera tal que tiende a incrementar el flujo magnético a través de ella; de esa manera, la fuerza que actúa sobre el elemento móvil produce un torque deflectante de dirección tal que siempre tiende a incrementar la inductancia de la bobina fija.



Instrumento de hierro móvil.


Instrumentos digitales


En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloques de un instrumento digital básico. Se puede ver que se recibe una señal analógica en el instrumento digital de un circuito o de un transductor que se esté probando. Típicamente el instrumento somete primero la señal analógica a amplificación. A continuación, se convierte la señal amplificada a la forma digital mediante un circuito de conversión analógico a digital (A/D). Por último, aparece la señal digital que se muestra en un dispositivo de pantalla digital, o se pone a disposición para su transmisión a otros instrumentos digitales (como registradores o computadoras) para su ulterior proceso y despliegue.



Esquema en bloques de un instrumento digital.