Apuntes Mediciones

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

SISTEMA MÉTRICO LEGAL ARGENTINO (SIMELA) Mediante la Ley Nacional 19.511 del 2 de marzo de 1972 se estableció el SIMELA (Sistema Métrico Legal Argentino) para uso oficial y privado, el que a su vez define un conjunto de Unidades de Base (fundamentales), a saber:

Definiciones AMPERE [A]: es la corriente constante que circulando por un conductor rectilíneo indefinido atrae o rechaza (según los sentidos de circulación) a otra corriente igual colocada a un metro de distancia con una fuerza de 2x10-7 Newton por cada metro de conductor enfrentado. VOLT [V]: es la diferencia de potencial eléctrico existente entre dos puntos de un conductor que transporta una corriente de un ampere (1A) cuando la potencia disipada es de un watt (1W). Múltiplos y Submúltiplos Para ciertas aplicaciones en electricidad la unidad básica de algunas magnitudes puede parecer muy grande; en cambio la misma unidad para otras aplicaciones puede parecer más bien pequeña. Por ejemplo, en circuitos de electrónica se trabaja con valores de micro Ampere (0,000001 A ≡1 µA), mientras que en plantas de aluminio es del orden de los kiloampere (1000 A ≡1 kA) . Para no usar expresiones con tantos ceros se usan prefijos para indicar unidades que son menores o mayores que la unidad básica

Prof.: Fabricio Curilef

1

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

UNIDADES Y PATRONES Medir es comparar una magnitud con otra de igual clase, que se ha tomado como unidad. Por lo tanto, la de grandores físicos implica el uso de un cierto número de unidades adecuadamente seleccionadas. En la técnica encontramos dos tipos de cantidades físicas: Las primarias (o fundamentales), que sólo pueden ser medidas por medio de sus propias unidades; y las secundarias (o derivadas) que derivan de las anteriores. Un sistema coherente de unidades es aquél que está constituido por un reducido número de unidades fundamentales o primarias y de las unidades secundarias que de éstas derivan, adoptando la condición de no introducir coeficientes numéricos en las fórmulas que relacionan las unidades. PATRONES ELÉCTRICOS PATRON DE FUERZA ELECTROMOTRIZ [PILA WESTON]: es una pila saturada que tiene un potencial de 1,0183 V a 20 ºC. Este patrón de tensión no se utiliza para entregar energía por lo que solo se debe emplear como valor de comparación. OHM PATRON ABSOLUTO [Ω]: es la resistencia ofrecida al paso de una corriente de intensidad constante por una columna de mercurio a 0 ºC, de 1,063 m de longitud, de sección constante (aproximadamente de 1mm2) y de una masa de 14,4521 gr. Los resistores patrones que se utilizan hoy en día en laboratorios se construyen con cuatro terminales y se colocan en un recipiente con aceite para garantizar la estabilidad de la temperatura y aumentar la disipación térmica. Sus terminales se llevan al exterior por medio de bornes, los que se caracterizan por presentar baja resistencia de contacto. De estos cuatro bornes, dos se emplean para trabajar (son aquellos donde se aplica la corriente) mientras que los dos restantes son los terminales de medición en los que se garantiza el valor en ohm. Los resistores patrón tienen una capacidad de disipación de un watt [1W] en aire y de 10 W sumergidas en aceite. Respecto de los resistores más comunes utilizadas en laboratorios podemos mencionar que están construidas de manganina o de constantán, que son aleaciones formadas por cobre, manganeso y níquel en distintas proporciones. En los ensayos de laboratorio se emplean elementos fijos y variables, ya sea tanto para variar la tensión o la corriente de un circuito. Los elementos variables (resistencia variable, reóstato o potenciómetro) están

Prof.: Fabricio Curilef

2

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

constituidos por un arrollamiento de alambre resistivo en forma de bobinado y un cursor que se desliza a voluntad sobre este. Otro tipo constructivo esta formado por clavijas con las que se selecciona el valor de la o las resistencias a variar en cada caso. TEORÍA DE ERRORES Proceso de Medición Se denomina así a la comparación de un grandor de cierta especie con otro grandor de la misma especie que se toma como patrón de medida. El resultado de aplicar un proceso de medición a un grandor da un número que será la magnitud del grandor. En general se define el error como el apartamiento del valor medido respecto de aquel que debería ser cuantificado, ya sea éste un valor prefijado o posible de un grandor. En todo proceso de medición está siempre presente la noción de incertidumbre del valor medido. Ello debido a que siempre aparecen errores que podemos clasificar como: •

Debidos al proceso de medición

•

Debidos a los patrones de calibración o de comparación utilizados.

•

Debidos a los grandores de influencia en el proceso de medición. Por ejemplo la temperatura, campos externos al sistema, etc.

Fuentes de Errores •

Errores del método empleado.

•

Errores del sistema de medida (propios del instrumento, error al azar).

•

Errores del operador (resolución, interpretación, estado de ánimo)

•

Errores de lectura (poder separador del ojo, paralaje, ajuste del cero de lectura).

Prof.: Fabricio Curilef

3

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Valor Verdadero En todo proceso de medición siempre está presente el error cualquiera sea su signo y valor, lo cual podemos representar de la siguiente manera:

donde: c es el valor verdadero y el ∆v es el apartamiento (o discordancia) del c Como ya se dijo, todo valor obtenido mediante una medición da lugar a que el mismo contenga cierto error. Por tal motivo se dice que el valor verdadero de un grandor no existe. Debido a esto se recurre al valor verdadero convencional cc , al cual se llega por conocimientos adquiridos o transmitidos cuantitativamente o cualitativamente a través del conocimiento científico o de la experiencia personal. Error Absoluto En la denominación de un grandor llamamos error absoluto (ea) a la diferencia existente entre la cantidad de unidades acusadas por el instrumento ó valor medido (cm) y el valor verdadero convencional (cc) de la medición.

Este error indica cuánto se aparta el valor medido del valor verdadero convencional. El error absoluto podrá ser en más ó en menos; lo relevante es el apartamiento del valor verdadero convencional.

Prof.: Fabricio Curilef

4

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Error Relativo Se denomina como tal a la relación entre el error absoluto y el valor verdadero convencional. Este error expresa el error relativo por cada 100 unidades del cc.

TIPOS DE ERRORES El siguiente cuadro sinóptico resume los errores en que podemos incurrir al efectuar una medición.

Errores de método Debemos tener siempre en cuenta el método de medición a aplicar para poder interpretar correctamente el valor que se mide. Presentaremos dos casos de método que introduce un cierto error de acuerdo a cómo se conecten los instrumentos.

Prof.: Fabricio Curilef

5

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Medición de resistencia con voltímetro y amperímetro.

Analizando el error relativo ∆r que se comete al calcular Rx = V/I en uno y otro caso se llega a que: ∆r corta = - Rx / Rv donde Rv es la resistencia interna del voltímetro, y ∆r larga = Ra / ( Rx - Ra ) donde Ra es la resistencia interna del amperímetro. Graficando el error relativo que se obtiene en cada caso podemos observar que existe un valor Ro para la resistencia a medir Rx donde el error relativo es de igual valor absoluto en ambas conexiones, es menor en la conexión larga para valores mayores que Ro y viceversa en la conexión corta.

Rx > Ro -----> con. larga Rx < Ro -----> con. corta Rx = Ro -----> indistinto

Prof.: Fabricio Curilef

6

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Si igualamos las expresiones para ambos errores podemos despejar el valor de Ro el que resulta ser :

CLASE DE UN INSTRUMENTO El error de calibración o límite de error es el mayor error absoluto que acusa un instrumento en cualquier punto de la escala y que puede ser positivo o negativo. Habitualmente (salvo casos especiales) este error se exprese referido al máximo valor mensurable, o sea el alcance del instrumento. De aquí surge lo que se conoce como clase C de un instrumento y que podemos expresar mediante la siguiente relación:

donde : C : clase del instrumento ∆Xmáx : máximo error en cualquier punto de la escala Xmáx : máximo valor mensurable Por ejemplo, si un voltímetro es de clase 2 e indica a fondo de escala un valor de 100 volt (alcance del voltímetro), implica que en cualquier lectura que hagamos debemos tener en cuenta un error en mas o en menos de 100 x 2% = 2 voltios. Por ello, si la lectura efectuada es de Xleído = 80 volt debemos indicar que el valor medido es de:

Recordando que el error relativo porcentual ∆r% es la relación porcentual entre el

eamax y el valor leído

Xmedído , fácilmente podemos apreciar que cuanto menor sea Xmedído tanto mayor será ∆r% . Por esta razón siempre debemos elegir un instrumento (o el rango de medición de éste) donde nuestra lectura se muestre en el último tercio de la escala, porque allí el error relativo es menor.

Prof.: Fabricio Curilef

7

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

¿Cómo se especifica un valor medido en forma completa? Además de tener en cuenta el error de clase mencionado, también debemos considerar el error de apreciación que podemos cometer, el que se estima estadísticamente entre 1/5 y 1/10 del valor de una división de la escala. Consecuencia:

Ejemplo: Tomando el ejemplo del voltímetro anterior, habíamos leído 80 V y el error de clase era de dos volt. Supongamos que la escala es de 100 divisiones, con lo cual el factor de escala es de 100 V/100 divisiones = 1 volt/div. También dijimos que el error de apreciación oscila entre 1/5 y 1/10 de división (0.2 a 0.1 div), lo que para este caso implica que, tomando el valor más desfavorable, tenemos:

con lo cual nos queda que debemos indicar :

¿CON QUÉ PUEDO MEDIR? Se enumeran a continuación las magnitudes que más usualmente es necesario medir cuando se trabaja en electrotecnia y los instrumentos más utilizados para ello. La selección de los mismos en forma adecuada es indispensable para obtener los resultados que responden al problema que quiero determinar. Cabe acotar que nos referiremos exclusivamente a la amplia variedad de instrumentos del tipo analógicos (cuya lectura proviene de una deflexión o giro de un elemento mecánico, tal como una aguja, un disco, etc.) que existen y se siguen empleando, a pesar de que están siendo crecientemente reemplazados por los del tipo digital, fundamentalmente por su menor costo. Ello porque en muchos casos los primeros siguen siendo más útiles y precisos y, en algunos casos en los que se requiere baja exactitud, siguen siendo más baratos.

Prof.: Fabricio Curilef

8

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Corriente: amperímetro - pinza amperiométrica - instrumentos de tablero - multímetro (si tiene rangos adecuados) - formas indirectas Tensión: voltímetro - pinza voltamperiométrica - instrumentos de tablero - multímetro - formas indirectas Resistencia: óhmetro - multímetro - megóhmetro - puentes (Thompson, Wheatstone, etc.) - mediciones indirectas (Nota : para medir resistencia siempre se requiere una fuente, ya sea externa o incorporada en el aparato) Potencia activa: Monofásica: vatímetro - métodos indirectos (voltímetro y amperímetro, etc.) Trifásica: tres vatímetros - métodos (de los tres voltímetros, de los 3 amperímetros, de Aarón, etc.). Coseno φ: cofímetro - instrumento de tablero - pinza cofimétrica - mediciones indirectas Potencia reactiva: varímetro (vármetro) - vatímetros (métodos) - mediciones indirectas - integradores de demanda máxima Energía: contadores de inducción - mediciones indirectas Frecuencia: frecuencímetros de laboratorio y de tablero - Osciloscopio - métodos indirectos

¿Qué debo tener en cuenta cuando me dispongo a medir? a) La magnitud a medir y su orden de magnitud. b) Si el circuito está alimentado por corriente continua o alternada; c) El grado de exactitud que requiere la medición; d) El lugar donde voy a efectuar la medición; e) El método que voy a emplear. f) La forma en que se deben conectar los instrumentos Con esta información estoy en condiciones de seleccionar el o los instrumentos adecuados, teniendo presente exactamente qué es lo que me miden y en qué unidades. Antes de comenzar la tarea, es necesario tomar todas las precauciones necesarias para tener en cuenta los riesgos tanto para la seguridad personal como la de los instrumentos y de los elementos o circuitos sobre los cuales voy a intervenir.

Prof.: Fabricio Curilef

9

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

PRECAUCIONES AL CONECTAR LOS INSTRUMENTOS En este punto se desarrollan las principales precauciones que deben tenerse al usar cuatro tipos fundamentales de instrumentos: amperímetros, voltímetros, óhmetros y vatímetros. Como regla general podemos decir que, como al medir operamos sobre circuitos bajo tensiones peligrosas (salvo en el caso del óhmetro), la primera precaución debe ser la seguridad del operador a fin de prevenir daños o lesiones personales. La principal de ellas es evitar entrar en contacto con las partes bajo tensión , para lo cual es fundamental no conectar el circuito a la fuente antes de haber concluido y verificado todos los conexionados. Ello evitará igualmente que se dañen o destruyan instrumentos y/o componentes del circuito a medir. La segunda precaución de tipo general es tener una idea aproximada del orden de magnitud de lo que queremos medir para poder elegir instrumentos de rango adecuado: si el valor a fondo de escala (alcance) es inferior a la magnitud de la variable a medir éste se quemará. Si por el contrario el alcance del instrumento es muy superior, no estaremos midiendo con el último tercio de la escala y por consiguiente el error relativo que tendrán los valores leídos será mayor. Si no tenemos seguridad sobre el orden de magnitud comenzar con la escala de mayor alcance para luego ir bajando. La tercera es tener presente los tipos de errores que pueden producirse a fin de evitarlos cuando sea posible o tenerlos en cuenta al expresar el resultado de la medición. Finalmente podemos decir que antes de comenzar a medir, cerciorarse que en reposo la indicación del instrumento sea cero. En caso de no ser así, ajustar a cero. Precauciones particulares en el uso de amperímetros •

Conectar siempre en serie con la carga. Como su resistencia interna es muy baja (lo ideal sería que fuera nula) si se conecta en paralelo es equivalente a un cortocircuito que pasa a través del instrumento y lo destruirá indefectiblemente.

•

Tener en cuenta que en corriente continua se puede ampliar el rango de medición en forma considerable mediante el uso de resistencias en paralelo o shunt (en corriente alternada se usan los transformadores de intensidad)

Prof.: Fabricio Curilef

10

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

Precauciones particulares en el uso de voltímetros •

Conectar siempre en paralelo con la carga. Como su resistencia interna es muy alta (lo ideal sería que fuera infinita) si se conecta en serie es equivalente a interrumpir el circuito.

•

Conectarlo preferentemente lo más cerca posible de la carga.

•

Tener en cuenta que se puede ampliar el rango de medición en forma considerable mediante el uso de resistencias adicionales en serie.

Precauciones particulares en el uso de óhmetros Si la medición que se desea efectuar requiere resultados de muy bajo error (< 1 %), debe acudirse a la utilización de los puentes de resistencias (ej: Wheatstone). Por ello nos limitaremos a considerar fundamentalmente el óhmetro que está incluido en los instrumentos de uso múltiple o multímetros (también comúnmente llamados “tester”). La primera precaución a tener es que nunca se debe medir resistencias en un circuito activado (bajo tensión) puesto que ello haría circular corriente a través del instrumento con serios riesgos de destruirlo. Además de verificar la indicación de cero del instrumento en reposo, debe ajustarse el cero a fondo de escala, que difiere para cada rango. Ello se consigue uniendo las dos puntas de prueba, condición en la cual debe reflexionar la aguja hasta el fondo de escala.

Prof.: Fabricio Curilef

11

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

ANEXO: SÍMBOLOS SEGÚN NORMA IRAM 2023 (selección) A - PRINCIPALES UNIDADES Y SUS MÚLTIPLOS Y SUBMÚLTIPLOS

B - CLASE DE CORRIENTE

Prof.: Fabricio Curilef

12

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

C - SEGURIDAD

D - POSICIÓN DE UTILIZACIÓN

E - CLASE DE EXACTITUD

(1) Este símbolo sólo se da a título informativo y no se debe utilizar en instrumentos de concepción nueva.

Prof.: Fabricio Curilef

13

Mediciones Eléctricas

CET 18 Modalidad Técnica

F - SÍMBOLOS GENERALES

Prof.: Fabricio Curilef

14