TEMA : GALVANÓMETRO ASIGNATURA : MEDIDAS ELÉCTRICAS

m
m
m
m
m
mm
m
:
GALVANÓMETROm
m
mmmmm MEDIDAS ELÉCTRICAS
m m
m
m
m
Ing. VILLALOBOS CABRERA JONY
m
m
m
m
m
m
m
ñ
Carrillo Jáuregui, Lester Rafael
ñ
Díaz Lachos, Manuel Eladio
ñ
Guerrero Alvarado, Danny Nicolás
m
m
m
galvanómetro
n
es
un
dispositivo
electromecánico en el cual se produce un par útil como
resultado
de
la
interacción
entre
una
corriente
eléctrica, que pasa por la bobina del instrumento y
del
campo
ambiente
de
magnético
la
existente
bobina.
en
el
medio
Existen muchos tipos
diferentes de galvanómetros. Nosotros
estudiaremos
el galvanómetro de D'Arsonval que pertenece al tipo
de bobina móvil e imán permanente (IPBM).
mm
m
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
m
m
Muy bajo consumo de potencia.
Requiere de baja corriente para la deflexión a plena escala.
Mide intensidades de corriente muy pequeñas (mA, -A )
La operación del instrumento está relativamente libre de efectos de campos
magnéticos parásitos.
Escala uniforme.
Amplio margen de sensibilidad.
Características dinámicas que permite una rápida velocidad de respuesta a
uncambio dado en la corriente, y la capacidad de ser amortiguado
críticamente.
Bajo costo.
m
mm m
m
a)m COMPONENTES:
Ñ
Ñ
Ñ
Ñ
na bobina móvil.
n campo magnético estacionario.
n dispositivo que produce un par recuperador sobre la bobina.
Medios para detectar la deflexión angular de la bobina.
En la versión portátil de este galvanómetro, la bobina móvil pivota sobre
dos cojinetes de zafiro de muy pequeña fricción y puede girar libremente. El par
recuperador se consigue por medio de muelles en espiral unidos a ambos
extremos de la bobina y sujetos por el otro extremo a la armadura del
instrumento. La corriente llega a la bobina a través de los muelles recuperadores,
ylos dos extremos del circuito salen al exterior por un par de terminales. La
rotación de la bobina se indica directamente sobre una escala por medio de una
aguja indicadora, rígidamente unida a la bobina.Analizaremos con algún detalle
los principios en los que se basa la operación del galvanómetro, de modo
lograr una mayor comprensión de su forma de operación y limitaciones.
)m PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL GALVANÓMETRO:
Consta de una bobina de alambre muy fino arrollada en un núcleo de hierro y
sostenida por un eje con muy poca resistencia al movimiento, la bobina está
colocada entre las dos zapatas polares de un imán permanente. Al núcleo de
hierro está adosado un puntero que sirve para señalar valores en una escala.
Cuando circula una corriente por la bobina, el núcleo de hierro se magnetiza y
recibe la atracción de los polos del imán en una dirección u otra en dependencia
de la polaridad de la conexión, el núcleo gira en el pivote, y la aguja indicadora
registra la magnitud. n resorte en espiral colocado en el eje de giro, o un
pequeño contrapeso, regresan la aguja a su posición original cuando se
desconecta. Estos aparatos son muy sensibles y pueden detectar muy pequeñas
corrientes. En dependencia de como se conecte este galvanómetro al circuito
puede construirse con él tanto un voltímetro como un amperímetro.
J)m PRINCIPIOS FÍSICOS DE OPERACIÓN DEL GALVANÓMETRO:
Existen dos orígenes diferentes de las fuerzas eléctricas que se ejercen
sobre una carga eléctrica. Son llamados: ³fuerza electrostática´ y ³fuerza
magnética´. Los dos campos vectoriales son: la intensidad de campo eléctrico
E [voltio/metro], y la densidad de flujo magnético, B [weber]. La fuerza
instantánea sobre una carga puntual de q coulomb, que se mueve con una
velocidad de v [m/seg], está relacionada con los dos campos por la ley
FëGÉX
ug g
En el caso particular de que las cargas eléctricas se muevan dentro de un
conductor, como en la bobina del galvanómetro, la ley de fuerza puede
formularse en función de la corriente de conducción en lugar de la carga. La
magnitud de la fuerza total ejercida sobre una bobina de N vueltas es:
F= i n BLm
y su dirección es mutuamente perpendicular a ¬ y al lado de la bobina .En la
versión más popular del instrumento de d'Arsonval se emplea un campo radial
uniforme como se muestra en la Fig.2, lo que conduce a una escala uniforme. Otra
ventaja de esta construcción es que el campo ¬ es menos susceptible a efectos
magnéticos erráticos externos que en el caso de que no haya núcleo
central. La forma del campo se consigue empleando piezas polares curvadas y
un núcleo central proyectado de manera que el campo en el entrehierro sea radial.
n campo radial uniforme es constante en magnitud en todas partes dentro de la
región de la bobina, y de dirección variable.
m
m
mm
La revisión del análisis de la fuerza ejercida sobre un lado de la bobina, en el caso
de campo uniforme, revela que la magnitud de la fuerza viene dada por la misma
expresión enel caso del campo radial uniforme. Sin embargo, en el caso de la Fig.2,
la dirección de la fuerza sobre el lado de la bobina depende del ángulo de
giro de la bobina. permanece perpendicular al plano de la bobina para todo
mmdentro del campo de trabajo del campo radial. Por tanto, la magnitud del par
que actúa sobre la bobina, debido a las fuerzas f en los lados de la bobina, viene
dado en este caso simplemente por mm. El brazo de palanca es constante para
cualquier ș. El hecho esencial conseguido por el campo radial es evitar el
brazo de palanca Variable, manteniendo la dirección de la fuerza perpendicular al
plano de la bobina.La igualdad de los pares que actúan sobre la bobina, empleando
un par recuperador mmmdonde mes la cte. lineal del resorte, da ahora
mm
Con
mm¬mla ley de deflexión del galvanómetro de campo radial
uniforme es.
[
ƒ
ƒ
S mm mmmm mmšmmmm mm
mm mm mm
mmmmmmmm mmm
m
mS m
mm m mm m
m m m
m
Por todo lo planteado anteriormente se
construye el galvanómetro d¶Arsonval
de modo
que
la
bobina
se
encuentre suspendida en un campo
magnético de un imán permanente,
con forma de herradura, tal que
generará un campo radial. Como se
puede observar en la Fig. 3. La bobina es
suspendida de tal manera que puede girar
libremente en el campo magnético.
Cuando la corriente fluye por la
bobina,
se
desarrolla
un
par
Electromagnético y la bobina gira. m
¦
Escribiendo la ecuación (anterior) en función del par, obtenemos:
²g La ecuación indica que el par desarrollado es directamente proporcional a
la densidad de flujo del campo B en el cual la bobina gira, la corriente en
la bobina y las constantes de la bobina (área A y numero de vueltas n). Dado
que la densidad de flujo y el área de la bobina son parámetros fijos para cada
instrumento, el par desarrollado es una indicación directa de la corriente en la
bobina.
El par electromagnético es contrarrestado por el par mecánico de los
resortes de control sujetos a la bobina móvil. Cuando los pares se equilibran, la
posición angular de la bobina móvil es indicada por una aguja con respecto a una
referencia fija, llamada escala.La ecuación también muestra que el diseñador
puede variar solamente el valor del par de control y el número de vueltas de
alambre en la bobina para medir una determinada corriente a plena escala
x)m COMPORTAMIENTO DINÁMICO
El comportamiento dinámico de un galvanómetro se puede observar
mediante interrupciones repentinas de la corriente aplicada, de manera que la
bobina regresará de su posición deflectada a su posición cero. Esto se
reconoce como resultado de la inercia del sistema móvil, la aguja pasará por la
marca cero en dirección opuesta, y después oscilará alrededor de cero. Estas
oscilaciones se reducen de manera gradual debido al amortiguamiento del
elemento móvil y finalmente la aguja llega a su estado de reposo en cero.
Tres cantidades caracterizan el movimiento de la bobina móvil en el campo
magnético:
¦
¦
¦
El momento de inercia (Ã) de la bobina móvil sobre el eje de rotación.
El par opuesto (Ý) desarrollado por la suspensión de la bobina.
La constante de amortiguamiento (").
La ecuación diferencial que relaciona estos tres factores tiene tres
posibles soluciones, y cada una describe el comportamiento dinámico de la
bobina en función del ángulo de deflexión ´ Estas respuestas se conocen como
.
Ñm
Ý :es aquel donde la bobina regresa lentamente
a su posición estable sin sobrepaso ni oscilaciones.
Ñm
Ý
es aquel donde el movimiento de la bobina está
sujeto a las oscilaciones senoidales amortiguadas. La razón con la
que desaparecen tales oscilaciones se determina con la constante de
amortiguamiento ("), el momento de inercia (Ã) y el contrapar (Ý)
producido por la suspensión de la bobina.
P en el cual la aguja regresa con rapidez a
su posición estable, sin oscilaciones.
Ñm
m
mm m
m
£ GALVANÓMETRO D͛ARSONVAL DE BOBINA MÓVIL:m
Funciona con base en el efecto electromagnético F=NBiL. En su forma más
sencilla, el medidor de bobina móvil consta de una bobina de alambre muy fino
devanado sobre marco de aluminio ligero. n imán permanente rodea a la bobina
y el marco de aluminio está montado sobre pivotes que posibilitan que gire
libremente, junto con la bobina, entre los polos del imán permanente. Cuando hay
corriente en la bobina, ésta se magnetiza y su polaridad es tal que el campo del
imán permanente la repele. Esto hace que el marco de la bobina gire sobre el
pivote y cuánto lo haga depende de la cantidad de corriente que
circule por la bobina. Así, al calibrar la aguja sobre el marco de la bobina y referirla
a una escala calibrada en unidades de corriente, puede medirse la cantidad de
corriente que circula a través del instrumento.
m
mm
2.m GALVANÓMETRO DE HIERRO MÓVIL
iay dos tipos básicos de medidor de hierro móvil, uno basado en la atracción
magnética y el otro en la repulsión magnética.
Con el instrumento de tipo de atracción, el campo magnético de la bobina atrae un
disco de hierro dulce que pivota. El par resultante de esta atracción es
proporcional al cuadrado de la corriente a través de la bobina. El tipo de repulsión
cuando dos piezas de hierro dulce se colocan paralelas y se introducen en un
campo magnético, ambas se imantarán con las mismas polaridades, lo que origina
que entre ellas se produzca una fuerza de repulsión. Este fenómeno se aplica a
esta variación del galvanómetro m
m
m
m
Existen tres tipos que usan este principio:
¦
¦
¦
Galvanómetro de paleta radial.
Galvanómetro de alabes concéntricos.
Galvanómetro de émbolo m
m
m
mm mm
Como veremos en la figura, los medidores de paleta radial son piezas
rectangulares que fueron introducidas como núcleo en una bobina. na de las
paletas está fija y la otra puede girar libremente mediante un dispositivo; además,
a la paleta libre se le coloca la aguja marcadora de la magnitud proporcional a su
movimiento, lo que ocasiona la repulsión con la que está fija.
mm
m
mm¬m m
El funcionamiento del medidor de alabes concéntricos es similar al de paletas,
salvo la concentricidad de los alabes. Estos tendrán una mayor captación de
campo magnético. no de ellos, el exterior, será fijo, y el del centro, móvil y
contará con la aguja indicadora.
m
mm
m
mm¬m
El otro tipo de émbolo móvil consiste en un núcleo móvil de hierro que esta
colocado, en su inicio,dentro de una bobina fija; en su extremo exterior se coloca
la aguja indicadora. Cuando por labobina circula corriente se forma el campo
magnético y atrae al émbolo, la fuerza de atracción será proporcional a la corriente
que produce el campo (Fig.) El medidor que combina ambas formas
(electromagnéticas y la térmica), es el ³termopar´. Como el medidor térmico, el
termopar alcanza una temperatura que depende de la cantidad de corriente que
fluye. El alambre calienta a la unión del termopar, el cual origina una pequeña
tensión c-c que impulsará una corriente por la bobina haciendo que se deflexione.
m
mm
m
mm mm m
m
En la figura se presenta un esquema que representa el uso del galvanómetro m
como instrumento de medir voltaje, un voltímetro. En este caso, un resorte en
m
espiral mantiene la aguja en el valor cero de la escala, por lo que solo sirve para
medir los voltajes conectados con la polaridad señalada en los bornes positivo y
negativo del aparato durante la conexión. Si la conexión se hace en sentido
contrario, la aguja tenderá a moverse por debajo del cero. Para que un aparato
pueda medir el voltaje de un circuito, no debe producir carga apreciable a él, o de
lo contrario modifica el propio valor de lo que mide, esto es, debe tener una
elevada resistencia interna para extraer muy poca corrientes del medio a medir.
Si conectamos directamente el galvanómetro al circuito, como la resistencia
eléctrica de la bobina es baja y el hilo conductor muy fino, lo más probable es que
circule demasiada corriente y arruine el aparato, o, en el mejor de los casos, se
afecte el voltaje a medir debido a la carga que impone el instrumento, por tal
razón se colocan las elevadas resistencias R1 y R2 que reducen la carga al
circuito a un valor inapreciable. Como el galvanómetro puede trabajar con esas
pequeñas corrientes se garantiza una medición confiable y la protección del
instrumento. Solo falta calibrar la escala a los valores apropiados. Salta a la vista
que los valores de las resistencias R1 y R2 deben guardar una estrecha relación
con el rango de valores del voltaje a medir, y de este modo, mantener el
galvanómetro en la zona de sus corrientes de operación. sando entonces un
juego de resistencias diferentes y un conmutador, un mismo galvanómetro puede
usarse para gran cantidad de rangos de medición, lo que es muy común en los
voltímetros en la práctica.
m
m
m
m
m
m
m
mm
n instrumento de bobina móvil se convierte en voltímetro cuando está en serie
con un resistor de valor adecuado para que limite la corriente a un valor que sea
el máximo que puede circular por la bobina del galvanómetro, o sea, la que
produce deflexión a plena escala. En la figura 12se muestra el circuito de un
galvanómetro empleado como voltímetro. Si el galvanómetro tiene las
características indicadas en la figura 12, sin el resistor, sólo podría medir hasta
una tensión de:
G mm mGm!"mm mm
mm
Veamos qué valor debe tener Rs para poder medir una tensión de 10 V.
8
8 [ m
mmm mm m#m$m mm
mm m#mm mm%m mmm&&mm
En la práctica se utilizan voltímetros de varias escalas para poder medir distintas
tensiones, como por ejemplo: 2,5 V; 10 V; 50 V; 250 V, 500V y 1000V en corriente
continua. Al respecto en la figura 3 se muestra el circuito de un voltímetro de
continua donde los resistores limitadores se han calculado como se ha indicado
recientemente. El circuito del voltímetro de tres escalas es seleccionable mediante
una llave giratoria.
m
m
m
m
m
mm mm m
En la figura 3 se muestra el esquema del
amperímetro. Se ha construido con el mismo
galvanómetro usado para el voltímetro, pero
en este caso, hay una robusta resistencia
eléctrica de muy bajo valor conectada en
paralelo con el galvanómetro. Por esta
resistencia de bajo valor circula virtualmente
toda la corriente del circuito sin afectarlo
apreciablemente,
no
obstante,
esta
resistencia es suficiente como para que, por
el galvanómetro circule un pequeña cantidad
que permite el movimiento de la aguja. La
escala entonces puede calibrarse en valores
de amperaje y ya tenemos nuestro
amperímetro. Como en el caso del voltímetro,
pueden disponerse diferentes resistencias y mm
un robusto permutador para medir corriente
en diferentes rangos.m
Para transformar un instrumento de bobina móvil en un amperímetro para medir
corrientes mayores que la corriente de deflexión a plena escala, debe conectarse
m
un resistor "shunt" en paralelo con el galvanómetro, de forma similar a lo mostrado
en la figura 15. Si queremos que el amperímetro mida como máximo 100mA,
cuando la bobina soporta 100ȝA, será (vea la figura 16):
m
mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm m
m
Ö
Ö Öm
Ö m
Lo que nos lleva a:
La tensión a través del galvanómetro se calcula:
mm'(m m)mm m m*
m"mm *m
Donde Rb = Resistencia de la bobina.
Rshunt = 0,5005ȍ
Se utilizan amperímetros de varias escalas, por ejemplo, 5mA, 50mA, 500mA,
10A, etc. y los rangos pueden seleccionarse mediante una llave selectora como
muestra la figura 17m
m
mm
m
m
m
¬)+,-.,
m
m
Ñ à m mm
m m
Ñ à mm m m m
mm
Ñ ^ m % m
%
m
m
m
m
ñ ññ
ñ
ññ
m
m
m
m
ñ
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m