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TECNOLOGIA DE INSTRUMENTACION ANALOGICA

TECNOLOGIA DE INSTRUMENTACION ANALOGICA  Los instrumentos analógicos que se emplean en mediciones eléctrica pueden indicar el valor de una magnitud mediante una aguja material (índice) o inmaterial (haz de luz) sobre una escala adecuadamente calibrada.  Dichos instrumentos están conformados por dos partes bien definidas:

TECNOLOGIA DE INSTRUMENTACION ANALOGICA  El transductor está conformado por un circuito eléctrico/electrónico que convierte la magnitud medida en otra magnitud que actúa sobre el sistema indicador. Generalmente es una corriente eléctrica proporcional a la magnitud medida.

CLASIFICACION GENERAL DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION Bobina móvil e imán permanente (fijo)

Instrumento analógico (aguja indicadora)

Bobina fija e imán móvil

Electrodinámicos (bobina fija y bobina móvil)

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL E IMAN FIJO O PERMANENTE  También son conocidos simplemente como de bobina móvil o de tipo D’Arsonval y son empleados ampliamente en aplicaciones de corriente continua.  Su principio de funcionamiento se basa en la acción motriz que ejerce el campo electromagnético de un imán permanente sobre una bobina móvil por la que circula una corriente eléctrica.

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL E IMAN FIJO O PERMANENTE (D’ARSONVAL)  Está conformado por un imán permanente con dos expansiones polares. Entre ambas gira un bastidor en la que se encuentra un arrollamiento de alambre conductor de una sección muy pequeña (bobina). Dentro de este bastidor se encuentra un cilindro de hierro dulce fijado al instrumento

 El espacio entre las expansiones polares y dicho bastidor (núcleo) se llama entrehierro.  El bastidor se encuentra soportado por dos semiejes de material conductor que se montan sobre pivotes y que le permite un movimiento giratorio.  En cada semieje existe un resorte arrollado en sentido contrario. Este se encuentra fijo a la estructura del instrumento por un extremo y al semieje, lo que hace que el bastidor se encuentre en una determinada posición.  Este diseño hace que a corriente que ingresa al instrumento pase por uno de los resortes, pasa al semieje y luego a la bobina para salir por el otro semieje y resorte correspondientes.

 La aguja indicadora se monta sobre el eje de suspensión, la cual se desplaza a través de una escala adecuada

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL E IMAN FIJO O PERMANENTE (D’ARSONVAL)

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES INSTRUMENTOS  Instrumentos analógicos  Galvanómetro  Voltímetro  Amperímetro  Ohmímetro

EL GALVANÓMETRO  Como se mencionó anteriormente, el galvanómetro puede detectar pequeñas corrientes por medio de principios magnéticos.

EL GALVANÓMETRO  Su movimiento se produce al interactuar el campo magnético de un imán permanente con el campo magnético producido en la bobina al circular una corriente eléctrica

EL VOLTIMETRO ANALOGICO  Un voltímetro se basa en un galvanómetro al que se le conecta una resistencia en serie de valor sumamente alto, tal como se muestra en la figura siguiente:

IG

RL

RG

+ VL -

+ VG -

+ Vm -

G

EL VOLTIMETRO ANALOGICO  La resistencia RL es conocida como resistencia limitadora y sirve para limitar la corriente que pasa por el galvanómetro. Es mucho mayor que la resistencia del galvanómetro.  RG es la resistencia interna del galvanómetro, y Vm es la tensión a medir a plena escala.  La corriente que circula por RL es la misma que la que circula por el galvanómetro, por lo que su valor se puede deducir a partir de las siguientes ecuaciones:

EL VOLTIMETRO ANALOGICO 𝑅𝐿 =

𝑉𝐿 𝐼𝐺

𝑉𝑚 −𝑉𝐺 𝐼𝐺

=

𝑅𝐿 =

𝑉𝑚 𝐼𝐺

− 𝑅𝐺

EL AMPERIMETRO ANALOGICO  El amperímetro consiste de un galvanómetro al cual se le conecta una resistencia en paralelo de valor pequeño respecto a RG.

IG

RG + VG -

ID Im

RD + VD -

+ -

G

EL AMPERIMETRO ANALOGICO  Esta resistencia, conocida como resistencia en derivación o shunt permite que la mayor parte de la corriente circule a través de ella, evitando que la corriente a través del galvanómetro supere su límite.

𝐼𝐺 ∗ 𝑅𝐺 = 𝐼𝐷 ∗ 𝑅𝐷 𝐼𝐺 ∗ 𝑅𝐺 = (𝐼𝑚 − 𝐼𝐺 ) ∗ 𝑅𝐷

EL OHMIMETRO ANALOGICO  El ohmímetro está conformado por un galvanómetro al cual se le conecta una resistencia en serie R y una fuente de alimentación, que usualmente puede ser una batería de 9V. Rx viene a ser la resistencia que se desea medir.

IG

R

RG

+ VL -

+ VG -

G RX

E

EL OHMIMETRO ANALOGICO  Del circuito se puede indicar que, cuando Rx es igual a cero, entonces la corriente que circula por el galvanómetro será máxima, pero este valor deberá estar condicionado por el valor de R, de forma que la corriente circulante no exceda el límite del galvanómetro.  Aplicando la ley de ohm se tiene lo siguiente:

 𝐸 = 𝑅 + 𝑅𝐺 ∗ 𝐼𝐺 𝑅 =

𝐸 𝐼𝐺

 𝐼𝐺 =

𝐸 𝑅+𝑅𝐺

− 𝑅𝐺 (*)

EL OHMIMETRO ANALOGICO  Si RX es diferente de cero, entonces la ecuación (*) queda así:

𝐼𝐺 =

𝐸 𝑅+𝑅𝑋 +𝑅𝐺

 Con RX igual a cero, la corriente que circula por el galvanómetro es máxima, por lo tanto al ajustar la escala del ohmímetro la deflexión de la aguja deberá marcar un valor de 0 ohm. Por el contrario a medida que el valor de RX vaya aumentando entonces la corriente empezará a disminuir y por lo tanto en la escala deberá marcar el valor de la resistencia que se está midiendo.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Se mencionó que el principio de funcionamiento se basa en la interacción de campos magnéticos.

 Un campo magnético permanente que es producido por el imán fijo.  Otro campo magnético producido por la corriente que circula la bobina

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Campo magnético en un imán permanente

Fuente: http://fisica26jajm.blogspot.pe/2013/11/electricidad.html

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Campo magnético en una bobina

Fuente: Instrumentos Electromagneticos ORLAN ROBER

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Campo magnético en una bobina

Fuente: https://es.slideshare.net/sruizde/electromagnetismo-34710103

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Cuando los campos magnéticos de la bobina y del imán interactúan, se produce una fuerza entre ambos

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  La forma del imán permanente hace que el campo magnético que enfrenta a la bobina sea radial y uniforme, por lo tanto al circular una corriente por la bobina se producirá una fuerza en esta que está expresada por la siguiente ecuación:

Fuente: Medidas Eléctrica – Ing. Julio Alvarez 12/09

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Dicha fuerza se produce en ambos extremos de la bobina y ambas tienen sentido contrario, produciéndose una cupla que está expresada por la siguiente ecuación

 Se observa que la cupla es proporcional a la corriente que circula por la bobina lo que origina el giro del sistema indicador.  Este movimiento se detendrá cuando la cupla motora sea igual a la cupla antagónica de los resortes Fuente: Medidas Eléctrica – Ing. Julio Alvarez 12/09

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Esta cupla en los resortes es proporcional al ángulo de giro de estos y a una constante propia de estos.

 Se observa que al ángulo de giro es proporcional a la corriente que circula por la bobina.  Los instrumentos tipo Dársonval son adecuados para corriente continua, ya que si se le aplica corriente alterna el signo de la cupla cambiaría constantemente de signo en función de la frecuencia de la corriente y la aguja indicadora se quedaría en la posición cero. Fuente: Medidas Eléctrica – Ing. Julio Alvarez 12/09

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL  Existen algunos casos especiales donde se emplea distintos tipos de núcleos para otro tipo de aplicaciones, como se muestra a continuación:

Fuente: Instrumentos Analógicos – Departamento de Electrónica – Universidad Tecnológica Nacional

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DÁRSONVAL

Fuente: Instrumentos Analógicos – Departamento de Electrónica – Universidad Tecnológica Nacional

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA  Cuando el instrumento era sometido a una corriente continua, se producía un momento o par en la bobina móvil producto de la interacción de campos magnéticos del imán fijo y de la bobina móvil. Sin embargo cuando se trata de corriente alterna se debe considerar los momentos instantáneos.  Puesto que la corriente alterna es oscilante, el momento medio que se producirá es igual a cero, por lo que no existirá deflexión en la bobina móvil.  Así mismo en corriente alterna el valor útil es el eficaz por lo que el instrumente debe ser capaz de mostrar este valor.

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA  Para que el instrumento sea capaz de detectar la señal alterna es necesario modificar el tipo de onda

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA  Al rectificar la onda, el instrumento detectará el valor medio de la onda rectificada.

 Sin embargo se sabe que el valor real de la señal es el valor eficaz.  Por lo tanto es necesario que el instrumento se calibre para mostrar el valor eficaz de la señal.  Para ello se emplea el factor de forma, que muestra la relación entre el valor eficaz y el valor medio.  Con ello se adecua la escala para que el instrumento pueda mostrar el valor eficaz de la señal, cuando este solo detecta el valor medio de la señal.

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA  Pueden haber dos variantes  Con rectificador de media onda

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA  Pueden haber dos variantes  Con rectificador de onda completa

INSTRUMENTOS DE BOBINA MOVIL EN CORRIENTE ALTERNA

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Son llamados también instrumentos ferromagnéticos, y pueden funcionar tanto con corriente alterna como continua.

 Su principio de funcionamiento se basa en la corriente que se desea medir que pasa a través de una bobina fija en la que se genera un campo magnético.  Al interior de dicho campo se coloca una pieza metálica que es el hierro móvil, el mismo que está sujeto de forma asimétrica al eje de giro.  Al igual que en el tipo de instrumentos de D’arsonval, cuentan con una aguja indicadora, resortes que se oponen al giro de la aguja y la escala de medición.

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Una de las ventajas de este tipo de instrumentos frente a los anteriormente analizados es que puede funcionar en corriente continua y alterna.

(a)

(b)

(c)

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De la figura anterior se puede indicar lo siguiente:  Cuando circula una corriente por la bobina fija, se producirá en esta un campo magnético cuya dirección dependerá de la dirección de la corriente en la bobina.  La pieza metálica de hierro móvil se magnetizará producto de este campo magnético creándose en este dos polos: Norte y Sur, y el polo norte tratará de alinearse con la dirección del campo magnético.

 El ángulo de giro dependerá de la intensidad de corriente, y por ende de la intensidad de campo magnético, así mismo de cuanto pueda vencer la oposición que ofrecen los resortes.

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Existen dos tipos de instrumentos:  De atracción  De repulsión

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De atracción

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De atracción  Cuando el instrumento consta de una sola pieza de hierro móvil, entonces se denomina de tipo atracción.  Su principio de funcionamiento es el explicado al comenzar a tratar este tipo de instrumentos.

(a)

(b)

(c)

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De atracción

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De repulsión

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De repulsión:  Cuando el instrumento consta de dos piezas de hierro (una fija y otra móvil) entonces se trata de un instrumento del tipo repulsión.  El sistema cuenta con dos placas metálicas de hierro, una fija y otra móvil.  Sobre la pieza móvil se encuentra fijada la aguja indicadora, así mismo cuenta con sus respectivos resortes.  Cuando circula una corriente por la bobina fija se produce un campo magnético, el mismo que imana las dos piezas metálicas. Como ambos quedan magnetizados de la misma forma al final quedan enfrentados dos polos iguales los que provocarán una fuerza de repulsión entre ellos.

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  De repulsión: Su principio de funcionamiento es el siguiente

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Ley de respuesta

 W

:

Energía electromagnética (joule)

 L

:

Coeficiente de autoinducción de la bobina con el hierro (Henrios)

 i

:

Corriente excitadora (A)

 Dado que la posición de la pieza móvil de hierro altera la configuración del sistema, el valor de L no es constante, tampoco dl valor de i

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Cupla motora: Se define como la variación de la energía electromagnética respecto al ángulo de rotación

 Cupla antagónica: es propia del resorte y está dada por la expresión

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Y el equilibrio se da cuando ambas cuplas son iguales

 Si se despeja el valor de

se tiene:

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL c.c.

c.a.

   

1 2 Kr 1 2 Kr

2

i .

dL d

2

dL d

I ef .

INSTRUMENTOS DE BOBINA FIJA Y HIERRO MOVIL  Aplicaciones

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS  Los instrumentos electrodinámicos poseen dos bobinas: una fija y la otra móvil. Su principio de funcionamiento es similar al instrumento de bobina móvil e imán permanente.  Ambas bobinas pueden recibir la misma corriente, si están conectadas en serie, o distintas corrientes, si están conectadas en paralelo.  La bobina fija, al recibir una corriente, produce un campo magnético en su interior que interactúa con la bobina móvil ubicada al interior, la cual al recibir un corriente también produce un campo magnético. Al producirse dos fuerzas a ambos lados de esta bobina móvil es que se produce el movimiento.

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS  Su uso puede ser como voltímetro o amperímetro, situación en la cual es necesario conectar en serie la bobina fija y la móvil. Esto hace que su costo sea más elevado.  Su principal uso es como vatímetro, donde la bobina fija es empleada para medir la corriente por la carga y la bobina móvil para medir la tensión en la carga.

 Cuando se trata de un vatímetro, este consta de cuatro terminales. Dos de ellos son empleados para medir la corriente y se conectan en serie con la carga (bobina fija de mayor capacidad) y los otros dos se conectan en paralelo para medir la tensión en la carga (bobina móvil)

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

 Con este tipo de conexión la corriente que circula por la bobina móvil, es proporcional a la tensión sobre la carga, en cambio la corriente que circula por la bobina fija, es la suma de la corriente que pasa por la carga y la que se deriva por la bobina móvil.  Suponiendo que la carga es de carácter óhmico-inductiva, la corriente estará en atraso a la tensión en función del factor de potencia de la misma.  En cambio la corriente que pasa por la bobina móvil, debido al valor elevado de la resistencia adicional Rm, podemos considerar que está en fase con la tensión sobre la carga.

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

 Los sistemas se encuentran acoplados magnéticamente, por lo tanto la energía electromagnética está caracterizada por la autoinductancia y la inductancia mútua, y está expresada por la siguiente relación:

 Donde:  𝐼𝑓 , 𝐼𝑚 :

Corriente en las bobinas fija y móvil respectivamente

 𝐿𝑓 , 𝐿𝑚 :

Inductancia en las bobinas fija y móvil respectivamente

 M

Inductancia mútua entre las bobinas

:

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

 Las inductancias de las bobinas fija y móvil (Lf y Lm) son constantes.  La inductancia mutua (M) no es constante, su valor depende de la posición de la posición relativa de las dos bobinas.

 Por tanto se puede decir que la inductancia mutua está en función del ángulo de defleción

INSTRUMENTOS ELECTRODINAMICOS

 El par instantáneo producido estará en función del ángulo deflectado

  En CC:

 En CA:

𝐶𝑚 =

𝑑𝑊 𝑑𝜃

=

𝑑𝑀 𝐼𝐼 𝑑𝜃 𝑓 𝑚

CARACTERISTICAS PRINCIPALES  En lo posible se trata de utilizar materiales ferromagnéticos para su construcción.  Para que la corriente de la bobina fija no alcance valores demasiado grandes, la inducción magnética en el espacio ocupado por la bobina móvil se limita a 0.005 Wb/m, es decir valores sumamente bajos en comparación con los de imán permanente y bobina móvil que tienen una inducción de trabajo de aproximadamente: B=0.6 Wb/m.  Por lo general la bobina fija está conformada por dos pares de bobinas, en estos se emplea soportes de cerámica ya que si se empleara soportes metálicos estos podrían debolitar el campo de la bobina fija debido a las corrientes parásitas.  Debido al campo relativamente débil de la bobina, estos instrumentos son extremadamente sensibles a los campos externos parásitos, incluso en mediciones de corriente continua se nota la influencia del campo terrestre sobre el mecanismo, es por ello que generalmente estos instrumentos están protegidos por una envoltura de aleación muy permeable.  El doble blindaje, proporciona muy buenos resultados; consta de un material exterior con una gran inducción de saturación y una pequeña intensidad de campo coercitivo y uno interior de gran permeabilidad inicial.

USOS PRINCIPALES  AMPERIMETRO.

 Se puede emplear el instrumento como medidor de corriente en continua, contando con dos tipos de configuración:  BOBINA FIJA Y MOVIL EN SERIE

USOS PRINCIPALES  En esta configuración el instrumento se debe conectar en serie con la carga, por lo tanto ambas bobinas se conectan en serie y a través de ambas circula la misma corriente.  Para que este sistema funcione se requiere de una fuerza magnetomotriz necesaria para producir el giro en el sistema móvil, esto implica incrementar el número de espiras en ambas bobinas proporcionalmente a fin de que la corriente sea la menor posible para obtener dicha fuerza magnetomotriz. Pero incrementar el numero de espiras en la bobina fija trae inconvenientes mecánicos en la suspensión, rozamiento etc.  Por otro lado el incrementar el número de espipras en el sistema fijo incrementaría la resistencia y por ende la caída de tensión en el mismo.  Dadas estas limitaciones, además de los pequeños resortes espirales por donde se alimenta la bobina móvil, el límite superior de corriente que se puede medir está por el orden de los 100 mA, mientras que el límite inferior es de 15 a 20 mA.

USOS PRINCIPALES  BOBINA FIJA Y BOBINA MOVIL EN PARALELO

 Esta configuración sirve para medir corrientes superiores a los 100 mA. Al colocar ambas bobinas en paralelo, se suele insertar una resistencia en serie con la bobina móvil a fin de limitar el paso de la corriente, haciendo que la mayor parte de la corriente circule por la bobina fija.

USOS PRINCIPALES  VOLTIMETROS

 Los instrumentos electrodinámicos se pueden emplear como voltímetros conectando las bobinas fija y móvil en serie. Adicionalmente se conecta una resistencia multiplicadora en serie. El límite inferior suele estar en 15 V, y en algunos casos se puede tener instrumentos con un límite inferior de 1.5 V. El límite superior suele llegar hasta los 750 V.

USOS PRINCIPALES  VATIMETROS

 Es el mayor uso que se les da a los instrumentos electrodinámicos. Una de las características es que presenta bornes independientes para cada una de sus bobinas. La bobina amperometrica (bobina fija) se conecta en serie con la carga y la voltimétrica (móvil) se conecta en paralelo con la carga de tal forma que la corriente que circula por esta es proporcional a la caída de tensión en la carga.

USOS PRINCIPALES  La bobina fija es de pocas espiras con sección suficiente para conducir la corriente nominal del instrumento, mientras que la bobina móvil es de varias espiras y de baja sección en serie con una resistencia.

PRECAUCIONES EN LA CONEXION  Como se sabe que el vatímetro mide la potencia del circuito que está dada por la expresión: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑐𝑜𝑠∅

(3.6)

 Sin embargo el producto de estas magnitudes puede estar por debajo del alcance del instrumento, sin embargo la corriente que circula por la bobina amperimétrica puede estar por encima de su límite y esta podría quemarse. Así tenemos el siguiente ejemplo:  Un Vatímetro tiene los siguientes valores nominales:  𝑉𝑛 = 300 𝑉  𝐼𝑛 = 5 𝐴  𝐶𝑜𝑠∅𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1  𝑃𝑛 = 300 ∗ 5 ∗ 1 = 1500 𝑊

PRECAUCIONES EN LA CONEXION  Si se emplea para medir una carga con las siguientes características:  𝑉 = 220 𝑉  𝐼 =8𝐴  𝐶𝑜𝑠∅ = 0.5  𝑃 = 220 ∗ 8 ∗ 0.5 = 880 𝑊

 Se observa que la deflexión de la aguja estaría algo mas de la mitad del recorrido total, es decir estaría registrando una potencia un poco mayor a la mitad de la escala máxima, sin embargo la bobina amperimétrica está siendo recorrida por una corriente superior a su valor nominal y podría quemarse. En tal situación es recomendable medir primeramente la corriente a través de la carga; también se podría conectar un amperímetro en serie con el vatímetro que tenga un valor de lectura máximo superior a la corriente nominal del vatímetro.

PRECAUCIONES EN LA CONEXION