METROLOGIA ELECTRICA Mantenedor Electromecanico OBJETIVOS • Objetivo 1: Aprender el manejo de representación y la conversión de unidades de medidas eléctricas • Objetivo 2: Al término del curso el participante será capaz de aplicar con precisión, mediciones y cálculos de medidas, en los diferentes instrumentos de medición en equipos eléctricos mineros y en general. hola Introducción En el mundo industrializado son numerosos los aspectos de la vida que dependen de las medidas. La complejidad creciente de las técnicas modernas va acompañada de continuas demandas de más exactitud, mayor rango y mayor diversidad de medidas en los dominios más variados. El desarrollo y mejora de métodos e instrumentos de medición és de suma importancia, tanto en el ámbito internacional como nacional, para la ciencia el comercio y la industria. Dado el actual avance tecnológico se hace necesario efectuar mediciones tanto para obtener información de un sistema y controlarlo, como para efectuar estudios teóricos sobre su comportamiento y evolución. Para esto el técnico eléctrico instrumentista debe estar familiarizado con aparatos, métodos, limitaciones, técnicas y posibilidades de exactitud de dichas mediciones. Como es difícil estar al corriente de todas estas materias altamente desarrolladas, es necesario conocer conceptos fundamentales de la medida y algunos métodos para efectuar mediciones en forma correcta y exacta. Sistema internacional de unidades El sistema internacional de unidades abreviado SI también denominado sistema internacional de medidas, es el heredero del antiguo sistema métrico decimal. Es el sistema de unidades que se usa en casi todos los países del mundo. Una de las principales características del Sistema Internacional de medidas, es que sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales, la única excepción es la definición de la unidad de magnitud de Masa, el kilogramo, que está almacenado en la Oficina Internacional de Pesos y medidas, en Sevres, Francia. hola Las 7 unidades fundamentales del SI Cantidad Cantidad Física Unidades Símbolo de la Cantidad Nombre de la Unidad Símbolo de la Unidad Longitud l Metro m Masa m kilogramo kg Tiempo t segundo s Corriente eléctrica I ampere A Temperatura T Kelvin K Intensidad luminosa I candela cd Ángulo de rotación α radián rad Unidades mecánicas derivadas Cantidad Cantidad Física Unidades Símbolo de la Cantidad Nombre de la Unidad Símbolo de la Unidad Fuerza F newton N Presión P pascal Pa EyW Joule J Energía y trabajo Temperatura T Grado Celsius ºC Volumen V metros cúbicos m3 Unidades eléctricas derivadas Cantidad Unidades Cantidad Física Símbolo de la Cantidad Nombre de la Unidad Símbolo de la Unidad Potencia P Watt W Carga Q Coulomb C Frecuencia F Hertz Hz Potencial V Volt V Capacidad C Faradio F Unidades eléctricas con sus equivalencias Magnitud Nombre Símbolo Expresión en otras unidades SI Expresión en unidades SI básicas Frecuencia hertz Hz s-1 Fuerza newton N m kg s-2 Presión pascal Pa N m-2 m-1 kg s-2 Energía, trabajo, cantidad de calor joule J Nm m2 kg s-2 Potencia watt W J s-1 m2 kg s-3 Cantidad de electricidad carga eléctrica coulomb C Potencial eléctrico fuerza electromotriz volt V Resistencia eléctrica ohm Capacidad eléctrica farad Flujo magnético sA W A-1 m2 kg s-3 A-1 V A-1 m2 kg s-3 A-2 F C V-1 m-2 kg-1 s4 A2 weber Wb Vs m2 kg s-2 A-1 Inducción magnética tesla T Wb m2 kg s-2 A1 Inductancia henry H Wb A-1 m2 kg s-2 A-2 Notación científica o notación de Ingeniería • El uso de números muy grandes o muy pequeños en su forma total en cálculos es tanto engorrosa como también una causa común de errores. • Una forma más simple de expresar estos valores es mediante el uso de exponentes, ya sea en el uso de la notación científica o de ingeniería. Tanto la notación científica como la de ingeniería expresan valores con un exponente de 10, (la potencia de 10) sin embargo hay diferencias fundamentales entre las dos formas. • La Notación Científica o de Ingeniería permite representar cantidades muy grandes o muy pequeñas, muy comunes en áreas de la tecnología como la electricidad y la electrónica entre otras. • La diferencia entre los dos tipos de notaciones está en la representación del exponente. • En el caso de la Notación Científica el exponente puede tener cualquier valor • En el caso de la Notación de Ingeniería debe ser siempre múltiplo de tres, además de que el factor multiplicativo debe estar entre 1 y <1000. Notación científica grandes números • Un número como el 58.000.000 es igual a 5,8 107 • 5,8 es el factor multiplicativo • 10 es la base • 7 es el exponente • Ejemplo el peso de la tierra 6.000.000.000.000.000.000.000.000 kilogramos • (6 cuatrillones de kilómetros). • Entonces pasándolo a notación científica seria: 6 1024 kilogramos, esta cifra es mucho más fácil de leer y entender que la cifra anterior Notación científica números pequeños • La carga del electrón es 0,00000000000000000016021766208 Coulombios o Coulomb. Pasándola a notación científica seria 1,6021 10−19 Coulomb mucho más fácil de entender. • NOTA: Observar que para números grandes el exponente es positivo y para números pequeños el exponente es negativo • Ejercicios de Notación científica • 2.500 • 1 Unidad a la izquierda del punto decimal • Ejemplo: • 2,5 ∙ 103← Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 (𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 10) • Índices – (el número de multiplicaciones a la potencia de 10) • Índices positivos • 6.800.000 𝑝𝑢𝑒𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑜 6,8 ∙ 106 • 𝑦 12.500 𝑐𝑜𝑚𝑜 1,25 ∙ 104 • Índices negativos • 0,000038 𝑝𝑢𝑒𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑜 3,8 ∙ 10−5 • 𝑦 0,00142000 𝑐𝑜𝑚𝑜 1,42 ∙ 10−3 Notación de Ingeniería • La notación científica se parece a la notación de ingeniería, solo que el exponente se expresa en múltiplos de tres y el número multiplicador puede estar entre 1 y 999 • Esto con el propósito que concuerde con el patrón A 10𝐵 • A: Factor multiplicativo que esta entre 1 y 999. No es necesario poner más ceros, pues se arregla corrigiendo el exponente. • B: Exponente que siempre es múltiplo de 3, 6,9,12,15,18 etc etc • NOTA: Cuando se expresan números menores que uno (entre 0 y 1) el exponente tiene signo negativo • Ejemplo 0,5 = 500 10−3 • Ejemplo 0,256 = 256 10−3 Nomenclatura de las magnitudes eléctricas y electrónicas Precaución con los instrumentos de variables eléctricas • Posición de apagado OFF • Inserción de los terminales de medición • Conexión correcta del instrumento en el circuito • Correcta selección de la escala y de la variable a medir Variables eléctricas e instrumento a utilizar VARIABLE UNIDAD LETRA INSTRUMENTO CONEXIÓN RESISTENCIA INTERNA VOLT V VOLTIMETRO PARALELO MUY ALTA CORRIENTE AMPER A AMPERIMETRO SERIE MUY BAJA RESISTENCIA OHM Ω OHMMETRO PARALELO Muy Alta depende Escala POTENCIA WATT W FRECUENCIA HERTZ Hz VOLTAJE WATTMTRO/VATIMETRO SERIE/PARALELO FRECUENCIMETRO PARALELO MUY ALTA/MUY BAJA MUY ALTA Variables eléctricas e instrumento a utilizar Historia • El arte de medir variables eléctricas inicia en 1820 cuando Hans Oersted descubre que la corriente eléctrica era capaz de desviar una brújula. Ese mismo año, Johann Schweigger diseñó el primer galvanómetro que adolecía de varios problemas, así a partir de ese momento comenzaron varias personas a trabajar estos fenómenos eléctricos y magnéticos hasta que en 1882 el físico francés Jaques Arsene D”arsonval desarrolló un dispositivo con un imán estático permanente y una bobina de alambre en movimiento suspendida por un resorte espiral (Imán Fijo Bobina Móvil). En 1888 Edward Weston lo convirtió en la primera forma comercial de un galvanómetro Historia continuación • En resumen, un galvanómetro es un instrumento que logra medir una pequeña corriente eléctrica, es decir, son muy sensibles y son adaptados para medir corrientes y voltajes mayores. • Cualquier instrumento que se conecte para medir una variable eléctrica ya sea voltaje, corriente o resistencia no debe alterar los parámetros del circuito. Instrumentos para medir las variables básicas • Amperímetro • Utilizado para medir corriente eléctrica. • Es un galvanómetro conectado con una resistencia en paralelo llamada resistencia Shunt (ver figura 1). • Para que logre medir la corriente debe conectarse en SERIE. • Su resistencia interna idealmente debe ser 0 Ω. • Si es de corriente continua debemos tener precaución en la polaridad del instrumento (sobre todo si es análogo). • Para su instalación se debe abrir el circuito, previamente debemos asegurarnos que se encuentra sin energía y posteriormente alimentar y medir el valor de la corriente. Figura 1. Esquema eléctrico interno de un amperímetro. Figura 2. Símbolo de un amperímetro. Figura 3. Conexión de un amperímetro. • Voltímetro • Utilizado para medir voltaje. • Es un galvanómetro conectado con una resistencia en serie llamada resistencia limitadora (ver figura abajo). • Para que logre medir voltaje debe conectarse en PARALELO. • Su resistencia interna idealmente debe tender a infinito. • Si es de corriente continua debemos tener precaución en la polaridad del instrumento (sobre todo si es análogo). • Para su instalación NO se debe abrir el circuito, sólo asegurarse que se encuentra sin energía para poder medir. • Si es necesario medir un voltaje con energía tener la precaución de realizarlo con las medidas de seguridad pertinentes (Ej: guantes). • Puede medir voltajes alternos o continuos. Para medir alternos se utiliza la expresión de la figura 7. • Para señales sinusoidales (usualmente trabajadas), dicha expresión se reduce a: Figura 5. Símbolo de un voltímetro. Figura 4. Esquema eléctrico interno de un voltímetro. Figura 7. Expresión para voltaje RMS. Figura 6. Como conectar un voltímetro • Ohmímetro • Utilizado para medir resistencia eléctrica. • Usan su propia energía para lograr medir una resistencia. • Es la combinación de un voltímetro y un amperímetro con una batería propia del instrumento y una resistencia. • Se conecta en paralelo y la resistencia interna va a depender de la escala en la cual este midiendo. • Pasos para realizar una medición de resistencia en un circuito eléctrico: 1.- Desenergizar el circuito 2.- Levantar por lo menos un Pin de la resistencia 3.- Conectar el óhmetro en paralelo con la resistencia 4.- Registrar el valor (si es un instrumento análogo ver el resultado de acuerdo a la escala con la que se está midiendo Figura 8. Esquema eléctrico interno de un óhmetro. Figura 9. Símbolo de un óhmetro. Figura 9. Conexión de un óhmetro. hola Multímetros analógicos • Los multímetros analógicos se caracterizan por tener una aguja indicadora. Cada vez son menos usados y han sido desplazados por los multímetros digitales adolecen de exactitud y se comete un mayor error mayor al ver la magnitud debido a su escala analógica y por cometer el error de paralaje al leer la posición de la aguja indicadora no perpendicularmente a ella. hola Multímetros analógicos Multímetros digitales • Los multímetros digitales prácticamente hoy han desplazado a los analógicos por su exactitud, precisión y versatilidad ya que además de medir las variables básicas como voltaje, corriente y resistencia cuentan con otras aplicaciones como es la pruebas de semiconductores, mediciones de frecuencia, temperatura y los más modernos hoy también poseen la característica de autorango lo que significa que no se debe seleccionar la escala a medir si no que el instrumento la selecciona en forma automática, esto sí solo para voltajes y resistencia. • Además como estos instrumentos son 100% digitales existen versiones de ellos que son capaces de medir variables de voltajes y corrientes alternas en lo que se conoce como TRUE RMS Multímetros digitales hola Multímetro industrial Fluke 87V • Algunas de las prestaciones de este instrumento son: • Mediciones de frecuencia precisas en controladores de velocidad ( ASD ) debido a su excelente filtro pasa bajo • El termómetro permite medir temperatura directamente sin instrumentos adicionales • El pico Min/ Max permite la captura de fenómenos intermitentes hasta 250 µS • La resolución de pantalla doble (6000 o 20000 recuentos) permite ver pequeños cambios en las lecturas mostradas • Categorías de seguridad CAT III 1000V y CAT IV 600V • Mediciones de hasta 1000V en CC y CA • Valor eficaz verdadero de voltaje y corriente para obtener mediciones exactas en caso de señales no lineales • Precisión en CC de hasta 0,05% • 6000 recuentos en 3-3/4 dígitos • 20000 recuentos en 4-1/2 dígitos • Medida de hasta 10 A y 20 A por 30 segundos • Frecuencia de hasta 200 Khz • Prueba de Capacidad de hasta 10000 µF Tester de pinza o tenaza • Estos tipos de medidores han sido especialmente construidos para permitir la medición de corriente sin la conexión a terminales vivos. Estos tipos de medidores funcionan al medir el campo magnético generado por la corriente. Pueden medir corrientes CA o CC y pueden ser análogos o digitales. Una pinza amperimétrica pequeña es excelente para medir corrientes de fuga. Tenaza Fluke con accesorios Como usar el amperímetro de tenaza • Apriete el mango para abrir las pinzas del núcleo de hierro. • Cierre las tenazas sobre el conductor. • Asegúrese de que las tenazas (núcleo de hierro) estén alrededor solamente de un conductor del circuito. Si ambos conductores, el vivo y el neutro (retorno) pasan a través de las muelas, la lectura del medidor será cero, porque los dos influjos magnéticos se anulan. • Asegúrese de que el espacio entre las tenazas esté totalmente cerrado antes de que se tome la lectura. Si el espacio de aire no está totalmente sellado, la lectura será inexacta. Esto puede suceder si hay suciedad en las muelas o se interpone algún objeto entre ellas. Megometro • Un megómetro es un instrumento utilizado para medir resistencias muy altas (medidas en millones de ohmios), que es el tipo de resistencia que usted esperaría encontrar en una buena aislación. Una prueba de megómetro es una prueba de aislación efectuada solo en equipos des-energizados. La mayoría de los megómetros son manuales, pero algunas son unidades accionadas por batería, o por motor. La Figura 1 muestra un megómetro típico digital. hola Riesgos y precauciones • Los medidores de aislación de alto potencial (Hi- Pots), y algunos megómetro utilizan tensiones altas. Algunos de estos medidores están equipados con resistores de descarga (discharge resistors), y usted debería asegurarse que los equipos capacitivos se descarguen antes y después de efectuar las pruebas de aislación. • Las descargas disruptivas tales como arcos o chispas se puede producir: • Cuando conecta puntas de prueba a equipos que no se han descargado por completo • Después de hacer una prueba y se produce la descarga de la carga capacitiva • Debido a una falla de aislación durante una prueba Procedimiento de prueba con megómetro • 1. Conecte las puntas de prueba del megómetro para al conductor que será probado y a la carcasa del equipo o blindaje metálico del cable (tierra) (Figura 2). • 2. Gire la manivela rápidamente, a una velocidad uniforme. Si la aislación es buena, el megómetro indicará primero una resistencia baja (fenómeno de corriente de carga de un condensador) y luego la resistencia aumentará. • 3. Continúe hasta que la aguja del medidor se sitúe en un valor estacionario. El tiempo dependerá de la capacitancia del equipo sometido a prueba. Registre la lectura. • 4. Cuando haya finalizado, si el megómetro tiene una posición de descarga, utilícela para extraer cualquier carga acumulada. Esquemas de conexión de un aislador hola Esquemas de conexión de un motor FIN hola
