Instrumentos y aparatos de medida: Medida de intensidad

Instrumentos y aparatos de medida: Medida de
intensidad, tensión y resistencia
Podemos decir que en electricidad y electrónica las medidas que con mayor frecuencia se hacen
son de intensidad, tensión y resistencia. A lo largo de este tema vamos a ver como se utilizan
el amperímetro, el voltímetro y el óhmetro, aunque hoy en día debido a su versatilidad
utilizamos habitualmente el polímetro que como su nombre indica un mismo aparato podrá
funcionar como cualquiera de los anteriores e incluso incorporarán otras funciones.
Imagen1: Polimetro digital.
Fuente: Banco de imagenes del ITE.
Licencia Creative Commons.
En la siguiente dirección puedes encontrar referencias a aparatos de medida y sus
características:
Multímetro
Rellena los huecos en blanco:
Con un
medimos la
Enviar
medimos la intensidad de corriente, con un voltímetro
en bornes de un componente y con un óhmetro medimos la
de un componente eléctrico o electrónico.
1. Medida de intensidad
Para el buen funcionamiento de cualquier circuito eléctrico o electrónico es necesario
conocer la electricidad que circula por el mismo. El aparato que vamos a utilizar será el
amperímetro.
Diremos por tanto que un amperímetro es el aparato destinado a medir la intensidad de
corriente que circula por un circuito eléctrico.
El amperímetro depende de la escala utilizada, así pues nos encontraremos con:
Amperímetros magnetoeléctricos: estos aparatos tienen una bobina móvil que está
fabricada con un hilo muy fino y las espiras, por donde va a circular la corriente que
queremos medir, tienen un tamaño muy reducido. Por lo tanto, podemos decir que la
intensidad de corriente, que va a poder medir un amperímetro cuyo sistema de medida sea
magnetoeléctrico, va a estar condicionada por las características físicas de los elementos
que componen dicho aparato. Mediremos valores de aproximadamente 100 miliamperios.
Se utiliza principalmente en corriente continua.
Amperímetro electromagnético: están constituidos por una bobina que tiene pocas
espiras pero de gran sección. El intervalo de valores que abarca este tipo de amperímetros
va desde los 0,5 A a los 300 A. Se puede medir con ellos tanto la corriente continua como
la alterna. Siendo solo válidas las medidas de corriente alterna para frecuencias inferiores a
500 Hz.
Amperímetro electrodinámico: están constituidos por una bobina fija y otra móvil. El
rango de valores varía entre 0,5 A y 100 A.
Amperímetro electrotérmico: este tipo de amperímetro actualmente está en desuso.
El amperímetro se conecta en serie con el elemento a medir, si medimos corriente continua
deberemos tener la precaución de conectar teniendo en cuenta la polaridad, por el polo
positivo entrará la corriente y por el negativo saldrá. Este problema con los amperímetros
digitales no lo tenemos, nos dará el valor indicándonos el signo negativo en el caso de
haberlo colocado con la polaridad cambiada.
El esquema de conexionado sería el siguiente, en este caso estaríamos midiendo la corriente
que circula por la resistencia R1.
Imagen 2: Conexión de un amperímetro.
Fuente: Elaboración propia.
El amperímetro tiene que tener una bobina interna del menor valor posible, teóricamente
nula, de lo contrario estaremos introduciendo un error en la medida.
Cuando queremos medir intensidades mayores que el rango de medida de nuestro
amperímetro debemos recurrir a diferentes técnicas que estudiaremos a continuación. Lo
denominaremos ampliación de escala.
Recuerda que un amperímetro siempre se tiene que conectar en serie con el circuito. Si
lo colocamos en paralelo, y debido a su baja resistencia, estaremos haciendo un
cortocircuito con lo que podremos dañar el circuito o el propio amperímetro.
1.1. Ampliación de escala mediante resistencia en
paralelo
El método de la resistencia en paralelo consiste en colocar una resistencia de alta precisión de
valor muy pequeño que colocaremos en paralelo con el amperímetro, con esto lo que
conseguiremos será que casi toda la corriente se desvíe por esta resistencia y sólo una
pequeña parte por el amperímetro. Tal y como puedes ver en la siguiente figura.
Imagen 3: Ampliación de escala con resistencia en paralelo .
Fuente: Elaboración propia.
Donde:
I: intensidad que atraviesa el circuito. R: resistencia del circuito.
Ia: intensidad que atraviesa el amperímetro. Ra: resistencia del amperímetro.
Is: intensidad que pasa por la resistencia en paralelo. Rs: resistencia en paralelo.
Observando el circuito puedes ver que:
I=Ia + Is
Ia*Ra = Is*Rs
Operando con estas dos ecuaciones llegamos a que:
Un amperímetro tiene una resistencia interna de 5Ω, la corriente necesaria para que se
desvíe toda la escala es de 15 mA. ¿Qué valor tiene que tener la resistencia que
tenemos que colocar en paralelo para incrementar su escala hasta 50 A?
1.2. Ampliación de escala mediante transformador
de intensidad
Se utiliza para medir intensidades elevadas y alternas. El primario del transformador es
recorrido por la intensidad a medir y en el secundario se conecta el amperímetro. Como ya
sabes la relación existente entre la intensidad del primario (I1) y la del secundario (I2)
viene dada por la siguiente expresión:
Lo que conseguimos con el transformador es reducir la corriente que circula por el
secundario pero siempre proporcional a la que circula por el primario.
Como ya sabes, en la placa de características de cualquier máquina eléctrica figuran los
valores nominales de la misma. Constructivamente los transformadores de intensidad se
fabrican de modo que la intensidad que circula por el secundario para la mayoría de las
aplicaciones sea de 5A. Además los transformadores se suelen fabricar con las siguientes
intensidades primarias: 5 A, 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, 30 A, 40 A, 50 A, 60 A, 75 A, 100 A,
125 A, 150 A, 200 A, 250 A, 300 A, 400 A , 500 A, 600 A, 750 A, 800 A, 1000 A, 1200 A,
1500 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A y 5000 A.
El esquema será el siguiente:
Imagen 4: Ampliación de escala mediante transformador de intensidad.
Fuente: Elaboración propia.
2. Medida de tensión
Al igual que la intensidad es muy importante saber el valor en bornes de cualquier
componente para el buen funcionamiento del circuito. El aparato que vamos a utilizar es el
voltímetro.
Nos encontramos con la siguiente clasificación atendiendo a su rango de medidas:
Magnetoeléctricos: desde 10 mV hasta 1.000 V.
Electromagnéticos: desde 5 V hasta 1.000 V.
Electrodinámicos: desde 5V hasta 1.000 V.
Electrostaticos: desde 1V hasta 1.000 KV.
El voltímetro se conecta en paralelo con el elemento a medir, en el caso de medir tensiones
en circuitos de corriente continua deberemos tener en cuenta la polaridad de forma que el
polo positivo del voltímetro se conecte al punto de mayor potencial. Los voltímetros digitales
indican valores negativos en caso de conectar la polaridad cambiada.
En el siguiente esquema puedes observar cómo se coloca el voltímetro, en este caso en
concreto el aparato nos estaría midiendo la caída de tensión en la resistencia R1.
Imagen 5: Conexión de un voltímetro.
Fuente: Elaboración propia.
En un voltímetro ideal la resistencia interna debería ser infinita para que no existiera
derivación de corriente por el mismo, como eso es imposible se construyen voltímetros con
resistencias internas superiores a varios cientos de miles de ohmios. A pesar de que esta
resistencia es muy elevada introduce un pequeño error en la medida.
Al igual que ocurría con el amperímetro, en ocasiones, la tensión a medir se sale de los
rangos de medida por lo que tendremos que recurrir a diferentes técnicas que nos permitan
ampliar la escala.
Recuerda que un voltímetro siempre se tiene que conectar en paralelo con el elemento
sobre el que queremos medir la caída de tensión. Si lo conectamos en serie, y debido al
alto valor de su resistencia interna, el paso de corriente quedará interrumpido.
2.1. Ampliación de escala mediante resistencia
Este método consiste en conectar con el voltímetro una resistencia en serie. Esta forma
de medir la utilizaremos en circuitos de corriente continua de tensiones relativamente
bajas, nunca superiores a los 1000 V.
La resistencia va a ser de un valor muy elevado de forma que la mayor caída de tensión ocurra
en esa resistencia y una cantidad mucho menor lo haga en el voltímetro.
Imagen 6: Resistencia en serie con voltímetro.
Fuente: Elaboración propia.
Donde:
Iv: intensidad que circula por el voltímetro. V: Tensión de alimentación
Rv: Resistencia voltimétrica. Vv: Tensión voltimétrica.
Ra: Resistencia adicional. Va: Tensión en la resistencia adicional.
No te será difícil llegar a los siguientes razonamientos:
Y según la Ley de Ohm tenemos que:
Dividiendo estas dos ecuaciones entre ellas llegamos a que:
Que junto con la primera ecuación llegamos a que:
Un voltímetro tiene una resistencia interna de 100 kΩ y su alcance es de 0 a 50 V, ¿qué
resistencia tendremos que colocar para aumentar el rango hasta los 200 V?
2.2. Ampliación de escala mediante transformador
de tensión
Para realizar este tipo de ampliación lo que tenemos que hacer es conectar los
transformadores de tensión en paralelo, tal y como puedes ver en la figura. La relación de
transformación va a ser la relación entre la tensión del primario y del secundario que a su
vez también estará relacionado con el número de espiras de modo que:
Imagen 7: Ampliación de escala de un voltímetro.
Fuente: Elaboración propia.
En la placa de características del transformador siempre van a figurar las tensiones
nominales del primario y del secundario. En los transformadores la tensión nominal del
secundario está normalizada en 110 V mientras que los del secundario lo están en 110, 220,
380, 440, 2200, 3300, 5500, 6600, 11000, 13200, 16500, 22000, 27500, 33000, 44000,
55000, 66000, 110000, 132000, 220000 y 396000.
Conociendo estos parámetros es fácil calcular el valor de las tensiones a medir.
3. Medida de resistencia
En los circuitos electrónicos en los que abundan resistencias de diversos valores se hace
necesario saber el valor de las mismas para que el circuito funcione de forma correcta. Sin
embargo en electrotecnia no es habitual calcular el valor de las resistencias salvo en casos
muy concretos como pueden ser las líneas de distribución o el bobinado de diferentes
máquinas.
El aparato que vamos a utilizar es el óhmetro, habitualmente consta de un aparato de
medida magnetoeléctrico conectado en serie con una batería de tensión constante y una
resistencia variable y por supuesto de dos conectores.
A la hora de utilizar
consideraciones:
un
óhmetro
tenemos que
tener
en
cuenta
las siguientes
No deben emplearse nunca en circuitos bajo tensión.
Las resistencias a medir que formen parte del circuito deben desconectarse, podrían dar
lugar a medidas incorrectas.
La tensión propia del aparato podría causar daños a los diferentes componentes del
circuito.
Las conexiones no se deben tocar con las manos debido a que alteraríamos la resistencia
a medir, nuestra resistencia quedaría en paralelo con la resistencia que se pretende medir.
El aparato tiene que estar calibrado. Para ello las puntas de prueba deben ponerse en
contacto, lo cual significa poner un cortocircuito entre los terminales del aparato, esto
implica que la resistencia conectada externamente al óhmetro es nula en estas condiciones,
y por lo tanto la aguja debe marcar cero ohmios.
Imagen 8: Ohmetro.
Fuente: Banco de imágenes del Ite.
Licencia Creative Commons.
3.1. Lectura directa
Es el método más rápido y más sencillo de todos, consiste en utilizar el ohmímetro, como su
nombre indica, de forma directa. Una vez puesto a cero, tal y como se explicó anteriormente,
se procede a realizar la medición.
El instrumento está compuesto por una batería (con resistencia interna) y una resistencia
variable, el circuito podría ser como el de la figura.
Imagen 9: Esquema de un ohmetro.
Fuente: Elaboración propia.
Si cerramos el interruptor J la resistencia de carga Rc queda en cortocircuito por lo tanto nos
quedará la resistencia interna del instrumento Ri y la resistencia variable, llegaremos a que:
Ahora suponemos que abrimos el interruptor, tenemos que:
Realizando el cociente entre ambas expresiones llegamos a que:
La medida de las intensidades se traduce en dos diferentes indicaciones sobre la escala del
aparato. Ro va a ser una resistencia variable que permitirá el ajuste a cero.
Utilizando el método de la lectura directa podemos también determinar la continuidad de un
conductor y poder determinar si está cortado o no. En el caso de estar cortado nos indicará
una resistencia de infinito, en caso contrario nos indicará un valor de cero. En algunos
óhmetros digitales si existe continuidad el aparato emite un pitido.
3.2. Medida indirecta con voltímetro y amperímetro
Como ya sabes, la tensión, la resistencia y la intensidad están relacionadas entre si
mediante la Ley de Ohm, entonces sabiendo los valores de tensión e intensidad que circula
por un componente obtendremos el valor de la resistencia. Podremos realizar dos tipos de
montaje para calcular el valor de la resistencia.
Montaje largo:
El esquema es el que puedes ver en la figura. El cálculo no nos da el valor exacto de la
resistencia de carga, sino la suma de la resistencia interna del amperímetro mas la
resistencia que queremos medir, por lo tanto este montaje lo utilizaremos cuando la
resistencia que queremos medir es mucho mayor que la interna del amperímetro.
Imagen 10: Montaje largo.
Fuente: Elaboración propia.
Montaje corto:
El esquema es el de la figura. En este caso el cálculo obtenido tampoco coincide con el valor
exacto de la resistencia de carga, sino la obtenida de la asociación en paralelo de la
resistencia de carga y la del voltímetro, por lo tanto este montaje lo utilizaremos para medir
resistencias de pequeño valor.
Imagen 11: Montaje corto.
Fuente: Elaboración propia.
Tanto en un montaje como en el otro tenemos el problema del calentamiento que se produce
por la acción de la corriente al circular por la resistencia, por ese motivo el tiempo que
tardemos en realizar la medida tiene que ser muy pequeño para evitar el error por este
motivo.
3.3. Medida por comparación de tensiones
Este método está basado en la comparación de la caída de tensión en dos resistencias
que están conectadas en serie cuando por ellas circula la misma corriente. Se utiliza
para valores bajos de resistencia, de lo contrario los errores falsearían la medida.
Tenemos una resistencia patrón Rp de valor conocido y una resistencia de carga Rc de la que
deseamos saber su valor, para ello realizamos el montaje de la figura donde tenemos un
amperímetro conectado en el circuito y un voltímetro que podemos desplazar entre dos puntos
para medir las caídas de tensión en cada una de las resistencias. El esquema del montaje sería
el siguiente:
Imagen 12: Medida por comparación de tensiones.
Fuente: Elaboración propia.
Al conectar el voltímetro en la posición (1) obtendremos la caída de tensión que se produce
en nuestra resistencia patrón de valor conocido.
Al conectar en la posición (2) obtenemos que:
Operando con ambas expresiones obtenemos que:
Al medir una resistencia por el método de la comparación de tensiones vemos que su
tensión es de 20 V. Si cuando está conectada a una resistencia calibrada de 12Ω el valor
de su tensión es de 20,5 V, ¿cuál es el valor de la resistencia de carga?
3.4. Medida por comparación de intensidades
Este método consiste en comparar las intensidades que circulan por la resistencia de
carga y la resistencia patrón, al igual que antes es necesario conocer el valor exacto de
esa resistencia patrón. También tenemos que tener en cuenta la resistencia interna del
instrumento, en este caso la denominaremos Ra.
El esquema del montaje es el que se presenta a continuación:
Imagen 13: Comparación de intensidades.
Fuente: Elaboración propia.
Dependiendo de la posición del conmutador vamos a tener las siguientes ecuaciones:
Igualando ambas expresiones y operando llegamos a que:
Este método lo utilizaremos para valores de tensión elevados.
Al utilizar el método de la medición de resistencias por comparación de intensidades
observamos que la intensidad que circula por la resistencia de carga es de 0,6 A y a
través de la resistencia patron de 7000 Ω circula una corriente de 0,58 A. ¿Cuál será el
valor de la resistencia de carga?
4. El polímetro
Si recuerdas. empezábamos el tema diciendo que existían diferentes aparatos para efectuar
medidas eléctricas pero que sin embargo hoy en día y debido a su versatilidad, se empleaban
los denominados polímetros que engloban todos los aparatos de medida estudiados en este
tema, e incluso los más modernos, otra serie de aplicaciones.
Estos aparatos pueden ser analógicos o digitales, siendo estos últimos los que actualmente
se utilizan con más frecuencia. A continuación puedes ver la imagen de uno de ellos:
Imagen 14: Polímetro.
Fuente:Banco de Imagenes del ITE.
Licencia Creative Commons.
Algunas normas básicas para la utilización de los polímetros serian las siguientes:
Mantener en buen estado el aparato.
Seguir las instrucciones del fabricante en cuanto al uso y mantenimiento.
Asegurarse si vamos a medir corrientes alternas o continuas.
Empezar a medir por la escala más alta e ir bajando gradualmente hasta conseguir una
medida exacta.
Previo a cualquier medida ajustar a cero el aparato.
Conectar correctamente el aparato.