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MEDIDAS CON INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS 1.- OBJETIVO. Realización práctica de conexiones y mediciones de magnitudes eléctricas, bajo las precauciones necesarias y adquirir criterios para mejorar las lecturas de las escalas de los instrumentos. 2.- FUNDAMENTO TEORÍCO. En el laboratorio se tiene varios instrumentos de mediciones directas, como instrumentos de bobina móvil, voltímetros diferentes tipos, Amperímetros, óhmetros, vatímetros, medidor de energía osciloscopios, capacímetros, multi tester digitales y analógicos. Voltímetros – mide diferencia de potencial eléctrico en voltios o submúltiplos. Amperímetros – mide intensidad de corriente eléctrica en ampere o submúltiplos. Ohmetros – mide la resistencia eléctrica en Ohms (Ω) o submúltiplos. Los amperímetros y voltímetros pueden ser utilizados para mediciones en corriente continua o alterna, o ambas. Los tres instrumentos antes mencionados pueden presentarse en forma independiente o agrupados en un solo instrumento llamado Multímetro o, como se lo denomina comúnmente, Tester. En cualquiera de los casos, los instrumentos poseen un selector de escalas, a los efectos de seleccionar el rango de medición. La lectura de la medida realizada dependerá del tipo de instrumento utilizado, analógico o digital. En los de aguja o analógicos, las lectura se indica en una escala graduada y el órgano indicador está compuesto por una aguja o por un fino haz de luz y en los digitales, la lectura se realiza directamente por medio de un display indicador. Las diferentes escalas poseen graduaciones, que según los casos corresponden a ecuaciones lineales, logarítmicas, u otro tipo de función más compleja. En instrumentos de aguja el movimiento del órgano indicador es, generalmente, de izquierda (cero) a derecha, salvo en el óhmetro en que el cero se encuentra a la derecha. En los voltímetros y amperímetros el cero se encuentra al principio de la escala y al final de la escala, llamado fondo de escala, le corresponde el máximo valor posible de medir en esa escala.

VOLTIMETRO El voltímetro es un instrumento destinado a medir la diferencia de potencial (ddp). La unidad de medida es el Voltio (V). La ddp puede ser medida en CC o AC, según la fuente de alimentación utilizada. Por ello, antes de utilizar el instrumento lo primero que se debe verificar es qué tipo de señal suministrará la fuente de alimentación, y constatar que el selector de escala se encuentre en la posición adecuada, AC o CC. Luego se debe estimar o calcular por medio analítico el valor de ddp a medir y con ello seleccionar el rango de escala adecuado, teniendo en cuenta que el fondo de escala sea siempre superior al valor a medir. En el caso que no sea posible estimar ni calcular la ddp a medir, se deberá seleccionar la escala de mayor rango disponible y luego de obtener una medición adecuar el rango de esca-la, si fuera necesario. Para el caso de instrumentos de aguja, es aconsejable que la lectura se efectúe siempre en la segunda mitad de la escala, ya que allí se comete menor error. Cuando se debe medir en CC se deberá tener en cuenta la polaridad del instrumento, observando que para ello los cables del mismo se hallan diferenciados por su color siendo, por convención, el color rojo para la polaridad positiva y el color negro para la polaridad negativa; los bornes del instrumento están indicados con los signos + y - o COM respectivamente. Para el caso de instrumentos de aguja (analógicos), al conectarlos con la polaridad incorrecta se observará que la aguja defeccionará en sentido contrario (de derecha a izquierda), lo que puede causar deterioro del mecanismo de medición del instrumento. En caso de desconocer la polaridad de la fuente de alimentación, o ante cualquier duda sobre la selección de escala, consultar con el personal de laboratorio.

Cuando se vaya a medir en AC no se tendrá en cuenta la polaridad debido a que se trata de corrientes no polarizadas. El voltímetro se debe conectar a un circuito que este energizado en paralelo, es decir colocando los terminales del voltímetro directamente sobre los terminales de los elementos eléctricos, tales como resistencias, toma corriente, capacitores, bornes de una batería, etc.

AMPERIMETRO Es un instrumento destinado a medir intensidad de corriente, tanto en corriente continua como en alterna. La unidad de medida es el Ampere (A). Para el manejo de éste instrumento se deberán observar las mismas precauciones que para el uso del voltímetro. El amperímetro se conecta en serie con el circuito. La intención es medir el flujo de corriente eléctrica que atraviesa por un conductor, un resistor, etc. Para conectar el amperímetro se debe cortar un conductor e intercalar entre sus extremos el instrumento con sus respectivas

polaridades en el caso de corriente contínua CC. En la caso de corriente alterna C.A. no es necesario.

OHMETRO Instrumento destinado a medir valores de resistencias. La unidad de medida es el Ohm (Ω). Este instrumento no posee polaridad. La medición de resistencia debe efectuarse siempre con al menos uno de los bornes del elemento resistivo desconectado del resto del circuito. Precauciones que se deben tomar: El resistor debe estar totalmente desconectado el circuito es decir el resistor debe estar suelto. Si se mide la resistencia equivalente de un circuito resistivo este debe estar des energizado. Se conecta los terminales del óhmetro en paralelo de forma similar a l voltímetro. El selector de escala FUNCION/Rango inicialmente se pude colocar en cualquier lugar luego ir cambiando la escala. Si el instrumento es analógico antes de medir se debe unir los terminales de óhmetro de manera que instrumento acuse un valor próximo a cero de la escala con el potenciómetro ADJ se calibra el óhmetro se decir haciendo girar la perilla de la aguja en el cero de la escala de ohmios. Luego se procede a medir.

CONEXIONES DE LOS DISTINTOS INSTRUMENTOS VOLTIMETRO: Medición de la ddp sobre R. Importante: el voltímetro se conecta siempre en paralelo. Observar la polaridad para el caso de CC. AMPERIMETRO: Medición de la intensidad de corriente en el circuito. Importante: el amperímetro se conecta siempre en serie. Observar la polaridad para el caso de CC. OHMETRO: Medición de la resistencia R. Importante: el ohmetro se conecta en paralelo con el elemento resistivo a medir. El elemento resistivo no debe estar conectado al circuito de lo contrario se puede incurrir en error en la medición. USO DEL MULTIMETRO o TESTER En esta parte se presentan instrucciones generales de manejo del Multímetro (Tester) analógico, ya que conociendo éste, el empleo de la digital es mucho más sencillo.

Como se mencionó anteriormente, con el Multímetro se puede medir tensión y corriente en CC y AC además de resistencia. Con la perilla selectora de Función/Rango se elige la función y el rango deseado. En el multímetro de la figura se observa que en CC tenemos diferentes rangos:1V - 2,5 V - 10 V - 25 V - 100 V - 250 - 1000 V. Rango 0 - 0,1 V 0 - 0,5 V 0 – 2,5 V 0 – 10 V 0 – 50 V 0 – 250 V 0 – 1000 V

Resolución 0,002 V 0,01 V 0,05 V 0,2 V 1V 5V 20 V

Precisión 4% 4% 4% 4% 4% 4% 4%

Si la perilla selectora de Función/Rango se posiciona en voltaje en AC, se tendrán los rangos: 10 V - 25 V - 100 V - 250 V - 1000 V. Rango 0 – 10 V 0 – 50 V 0 – 250 V 0 – 1000 V

Resolución 0,2 V 1V 5V 20 V

Precisión 5% 5% 5% 5%

Para corriente en CC, los rangos : 5 mA - 50 mA - 500 mA – 50 mA - 500 mA Rango 0 – 50 µA 0 – 2,5 A

Resolución 1 µA 0,05 mA

Precisión 4% 4%

0 – 25 mA 0 – 250 mA

0,5 mA 5 mA

4% 4%

Algunos instrumentos presentan un rango extra de 10 A. Para acceder a los rangos extendidos (1000 V CC/AC o 10 A a fondo de escala) se debe conectar el terminal de prueba rojo en el orificio marcado con la graduación de fondo de escala correspondiente. En la función óhmetro tenemos los siguientes rangos: x1 - x10 – x100 x1K Rango x1 x 10 x 100 x 1K x 10K

Precisión 4% 4% 4% 4% 4%

Características del multímetro digital Tensión continua o directa DC o CC Rango 0 -200 mV 0 – 2000 mV 0 – 20 V 0 – 200 V 0 – 1000 V

Resolución 100 mV 1 mV 10 mV 100 mV 1V

Precisión 0,5 % 0,5 % 0,5 % 0,5 % 0,8 %

Resolución 100 mV 1V

Precisión 1,2 % 1,2 %

Rango 0 - 200 µA 0 – 2000 µA 0 – 20 mA 0 – 200 mA 0 – 10 A

Resolución 100 µA 1 µV 10 µA 100 µA 10 mA

Precisión 1% 1% 1% 1,2 % 2%

Rango 0 – 200 Ω 0 – 2000 Ω 0 – 20 KΩ

Resolución 0,1 Ω 1Ω 10 Ω

Tensión alterna AC o CA Rango 0 -200 V 0 – 750 V Amperímetro DC o CC

Óhmetro Precisión ±0,8 % ±0,8 % ±0,8 %

0 – 200 KΩ 0 – 2000 KΩ

100 Ω 1 KΩ

±0,8 % ±1%

Características asociadas a un instrumento análogo de medidas eléctrica Las características fundamentales asociadas a instrumentos en relación con la calidad de la medida que proporcionan son: la exactitud, la sensibilidad, la constante del instrumento y la fidelidad, además sus correspondientes parámetros vienen definidos como:  Rango de la escala escogida  Constante del instrumento  Sensibilidad  Clase de exactitud RANGO DE LA ESCALA. R está determinada por la escala seleccionada y se expresa como la diferencia entre los valores de lectura máximo y mínimo de la escala es decir: 𝑅=𝑉𝑚𝑎𝑥−𝑉𝑚𝑖𝑛

(1)

LA CONSTANTE DEL INSTRUMENTO C. Se define en términos de las características y la diferencia entre dos valores consecutivos x´ y x`` con x``>x`. Marcados en el instrumento con rayas y números, que cubren un intervalo xu y su respectivo número de divisiones Nu correspondiente: 𝐶=

𝑥𝑢 𝑥 ′′ − 𝑥′ = 𝑁𝑢 𝑁𝑢

(2)

Para expresar el valor x de una medida, si el investigador conoce la constante C del instrumento se debe aplicar la siguiente fórmula 𝑥 = 𝑥′ + 𝐶 ∗ 𝑟 Con r número de divisiones que hay entre x’ y la posición de la aguja indicadora, como se muestra en la figura donde x’ = I’. En los instrumentos de medidas eléctricas (análogos), la sensibilidad S es inversamente proporcional a la constante C del instrumento. 𝑆=

1 𝑁𝑢 = ′′ 𝐶 𝑥 − 𝑥′

(3)

LA EXACTITUD O CLASE DEL INSTRUMENTO ξ % o K. de muchos isntrumentos eléctricos de medida asociada con los diferentes rangos que posee, es decir cada rango de escala tiene su respectivo error, así el error instrumental δV para un equipo eléctrico con diferentes escalas esta definido como la mayor separacion entre el valor medido de una cantidad con el instrumento dado (lectura) y el valor medido con un patron de medida δV es el error instrumental Si este error se multiplica por 100 y se divide por el rango de la escala del instrumento Vmax se obtiene la clase de exactitud del instrumento ε %en porcentaje siendo el error relativo porcentual. ε% =

𝛿𝑉 ∗ 100 𝑉𝑀𝐴𝑋

EJEMPLO. Tómese como instrumento análogo de medidas eléctricas el multímetro de Phywe del laboratorio para medir la intensidad de corriente en la escala visual negra desde 0 hasta 10 y rango de medidas de 0,0 – 0,01 ampere, o en forma equivalente 0,0 – 10,0 mA como se muestra en la figura

El rango de la escala será la ecuación (1) 𝐼𝑚=𝐼𝑚𝑎𝑥−𝐼𝑚𝑖𝑛 𝐼𝑚=(10,0−0,0) 𝑚𝐴 𝐼𝑚=10,0 𝑚𝐴 → 𝐼𝑚=0,010 𝐴 rango de la escala escogida.

La constante C, al tomar x’=I’ =2; x’’=I’’=4 y Nu = 20 divisiones como aparece en la figura superior y aplicando la ecuación (2) se tiene 𝐶 = 0,1 𝑚𝐴 → 𝐶 = 0,0001 𝐴 100 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 1 La sensibilidad 𝑆 = 𝐶 = 0,1 𝑚𝐴 al emplear la ecuación 3 Según el fabricante la clase del miliamperímetro es K=𝜀%=1,5 y posee rayas numeradas cada 2 mA con 20 divisiones entre ellas de la ecuación 5 se tiene 𝛿𝑉 =

𝜀% ∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥 1,5 ∗ 10,0 = = 0,15 100 100

El valor medido será: 𝐼 = 2,5 ± 0,15 𝑚𝐴 Con un error relativo porcentual de: 𝛿𝑉 ∗ 100 0,15 ∗ 100 𝜀 = = =6% % 𝑉 2,5 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

Algunas clases de instrumentos en general: CLASE 0,25 0,5 1

ERROR RELATIVO % 0,25 % 0,5 % 1%

1,5

1,5 %

2

2%

2,5 3 3,5 5

2,5 % 3% 3,5% 5%

APLICACIÓN Laboratorios Laboratorios Instrumentos portátiles de laboratorio Instrumentos portátiles de laboratorio Instrumentos portátiles de laboratorio Instrumentos portátiles Instrumentos portátiles Instrumentos portátiles Tableros industriales

Proceso para expresar una medida realizada con un instrumento digital

El reporte de medición de una variable realizada con un instrumento de medida digital como el multímetro de laboratorio se logra escribiendo la medida reportada por el dispositivo ± la incertidumbre en a medida conforme indica el manual de funcionamiento suministrado por la casa fabricante. Ejemplo 2. El valor registrado por el óhmetro digital de una resistencia es de 4, 48 KΩ de tal forma que la resistencia se reporta así: R = Medida registrada por el óhmetro ± 0,8 % Para el valor registrado anteriormente la medida se expresa de la siguiente manera: R = 4,48 KΩ ± 0.0358 Finalmente,

R = 4,48 ± 0.04 KΩ

EJERCICIOS PRACTICOS: 1- Al medir con un óhmetro el valor de una resistencia, la aguja indica el valor "15" en el arco graduado (FIG.1). Si los colores de la resistencia son: Marrón, verde y naranja respectivamente, determine: a) Cuál es su valor de acuerdo al código de colores (CCR). b) En que rango se encuentra el selector. c) La cátedra le proveerá 3 resistencias a las que se deberá determinar su valor de acuerdo al CCR y midiéndolas con el ohmetro.

2- La FIG.2 muestra que la aguja indicadora está entre el 4 y el 5 en la escala de Voltios de CC. Si el selector se encuentra en 10V (ver Escalas disponibles) a fondo de escala, determine: a) El valor de la tensión leída. b) Midiendo la tensión de una pila seca la aguja nos indica 1.5, elija el rango adecuado en CC. 3- La FIG.3 muestra la posición de la aguja cuando se mide la tensión en un tomacorriente domici-liario (tensión en CA). a) Elija el rango adecuado en Voltios de CA y diga cuál es el valor medido. b) Explique la polaridad de las puntas de prueba con las que se realiza la medición. 4- En la FIG.4 se observa que la aguja indicadora se encuentra entre el valor 2 y 2.1 en el arco de mA de CC, y la magnitud medida es de 205 mA CC, a) Elija el rango adecuado de mA de CC. b) Si en el rango seleccionado se realiza una nueva medición y la aguja indica 0.2, cuál sería el rango apropiado para realizar esta nueva medición.

3.- SISTEMA DE EXPERIMENTACION MATERIALES Multímetro Resistores Baterías Fuentes de alimentación Cables de conexion Reóstato 4.- MONTAJE DEL EXPERIMENTO A) Medición de resistencia eléctrica

B) Medición de voltaje con tester.

C) Medición de voltaje y corriente eléctrica.

D) Comparación entre medidas

CARACTERISTICAS Analógico y digital De carbon De 1,5 V y 9 V De 0 – 25 V C.C. De 0,5 m Leybold

5.- EJECUCIÓN DEL EXPERIMENTO Tomando en cuenta las precauciones para el uso de los instrumentos y las formas correctas de conectarlos, además de las elecciones correctas de las escalas que se han indicado, se procederá a realizar las mediciones. A. Medición de resistencia eléctrica 1. Mida la resistencia del reóstato para

distintas posiciones del cursor. Tabule sus medidas: R(Ω); L(cm) . B. Medición de voltaje con tester. 1. Conecte el reóstato a una batería o fuente C.C., y proceda a medir el voltaje para las mismas posiciones del cursor que en el punto A. Tabule sus medidas: V(volt) L(cm) R(Ω) . C. Medición de voltaje y corriente eléctrica. 1. Arme el circuito de la figura, conecte un voltímetro y un amperímetro. 2. Para una resistencia constante, varíe el voltaje suministrado por la fuente continua y registre los valores de corriente eléctrica y voltaje en la resistencia en una tabla de valores: V(volt) I(mA) D) Comparación entre las medidas registradas por un voltímetro PHYWE (análogo) en la escala de 10 V y las proporcionadas por un voltímetro digital 1) Desde el dial de la fuente varíe la alimentación partiendo de cero (0,0 V ), con incrementos de 1,0 volt hasta marcar en el voltímetro patrón 9,0 V o un valor cercano y consigne los datos de los dos voltímetros en la tabla 4. 2) Realice ahora las lecturas desde el voltímetro PHYWE, empezando en 10,0 V, luego 9,5 V y a partir de este valor en pasos decrecientes de 1,0 volt hasta 0,5 V y complete la tabla 4 6.- REGISTRO DE DATOS EXPERIMENTALES A) Tabla 1. R(Ω) Vs L(cm) N° 1 2 3 4

LONGITUD [cm] 0 2 4 6

RESISTENCIA [Ω] 0,6 0,9 1,6 2,6

5 6 7 8 9 10 11

8 10 12 14 16 18 20

3,5 3,9 4,7 5,3 5,9 6,6 7,8

B) Tabla 2. V(volt) Vs L(cm) Vs R(Ω) N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

RESISTENCIA VOLTAJE [V] [Ω] 0,6 0 0,9 0,0144 1,6 0,0496 2,6 0,1216 3,5 0,2103 3,9 0,2909 4,7 0,423 5,3 0,5623 5,9 0,7021 6,6 0,8929 7,8 1,184

C) Tabla 3. V(volt) Vs I(mA) N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

CORRIENTE [mA] 0 16 31 46,8 60,1 74,6 90 106,1 119 135,3 151,9

TENSION [V] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

D) tabla 4. VOLTIMETRO FLUKE (DIGITAL) [V] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

VOLTIMETRO LEYBOLT (ANALOGO) [V] 1,01 2 3,04 4,02 5,02 6 6,93 7,96 8,9 10,1 9,1 8,1 7,1 6,1 5,1 4,1 3,1 2,1 1,1

ERROR ABSOLUTO 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

7.- PROCESAMIENTO DE DATOS A) Usando “Excel” haga el gráfico “R vs L”, y obtenga la relación funcional entre estas variables (R = f(L)).

LONGITUD vs RESISTENCIA 9 8

RESISTENCIA [Ω]

7 6 5 y = 0.3559x + 0.3864

4 3 2 1 0 0

5

10

15

LONGITUD [cm]

20

25

B) 2. Use “Excel” para graficar y encontrar la relación “voltaje – resistencia eléctrica”, V = V(R)

RESISTENCIA vs VOLTAJE 1.4 1.2

VOLTAJE [V]

1 0.8 0.6

y = 0.1596x - 0.2252

0.4 0.2 0 -0.2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

RESISTENCIA <{Ω]

C) 3. Encuentre la relación voltaje – corriente, V = V(I)

CORRIENTE vs TENSION 2.5

TENSION [V]

2 1.5 1

y = 0.0133x - 0.0072

0.5 0 0 -0.5

20

40

60

80

100

CORRIENTE [m A]

120

140

160

D) Calcule el error absoluto en cada par de medidas tomadas en el numeral y llene la columna respectiva de la tabla 4 e igualmente calcule el error instrumental y regístrelos en la respectiva columna de la misma tabla. E) VOLTIMETRO VOLTIMETRO ERROR ERROR FLUKE LEYBOLT ABSOLUTO EXPERIMENTAL (DIGITAL) [V] (ANALOGO) [V] Δv 1 1,01 1,51 ±1,5 2 2 2,5 ±1,5 3 3,04 3,54 ±1,5 4 4,02 4,52 ±1,5 5 5,02 5,52 ±1,5 6 6 6,5 ±1,5 7 6,93 7,43 ±1,5 8 7,96 8,46 ±1,5 9 8,9 9,4 ±1,5 10 10,1 10,51 ±1,5 9 9,1 9,6 ±1,5 8 8,1 8,6 ±1,5 7 7,1 7,6 ±1,5 6 6,1 6,6 ±1,5 5 5,1 5,6 ±1,5 4 4,1 4,6 ±1,5 F) Analizar las diferencias entre datos suministrados por los voltímetros DIGITAL y PHYWE registrados en la tabla 4. ¿A qué se podrían atribuir tales diferencias? R.- la diferencia se atribuye a que es mas fácil observar el resultado del voltaje medido con un voltimetro digital que con un voltimetro analógico ya que al observar podemos cometer errores humanos por la vista. G) Mencione aplicaciones de señales eléctricas de corriente alterna y corriente directa. R.- Algunas aplicaciones de corriente alterna son las siguientes;   

Generación de energía eléctrica para el consumo de ciudades y plantas industriales Motores de corriente alterna (motores síncronos) Operación de maquinas industriales

Algunas aplicaciones de corriente continua son las siguientes:     

Electrodomésticos Celulares Balanzas digitales Baterías Motores de cc

8.- CONCLUSIONES Debemos tener en cuenta el cuidado respectivo al medir las variables como ser la corriente y el voltaje porque si no están bien conectados podemos dañar el equipo, con todas las recomendaciones logramos obtener las mediciones de corriente, voltaje y resistencia . 10.- BIBLIOGRAFIA    

Guia de laboratorio . Ing. RAUL CHURA https://es.pdfcoke.com/doc/101665948/aplicaciones-industriales-de-lacorriente-continua https://es.wikipedia.org/wiki/Mult%C3%ADmetro