HOME

Technical Documents - Documentos Técnicos: MEDICIONES ELÉCTRICAS - TIPOS DE INSTRUMENTOS - INSTRUMENTOS INDICADORES DE LECTURA DIRECTA.

APARATOS DE MEDIDA

Temas relacionados:Mediciones eléctricas. Propiedades de los instrumentos indicadores. Amperímetros. Voltímetros. - Óhmetros - Instrumentación industrial -

Industrialmente se emplean los amperímetros, voltímetros, vatímetros y los contadores, para determinar la intensidad de una corriente, tensión que existe entre dos conductores, la potencia que consume un receptor y energía que desarrolla una corriente eléctrica. Son aparatos de construcción robusta, dimensiones reducidas, montaje fácil y de lectura directa.

En laboratorios se emplean aparatos más delicados, sensibles a las condiciones físicas y precisos con las corrientes débiles, se llaman galvanómetros.

Esencialmente el principio de funcionamiento de todos los aparatos de medida es el mismo, al paso de la corriente se mueve una aguja sobre un cuadrante graduado, siendo proporcional la desviación de la aguja con la intensidad de corriente que pasa.

Así pues el estudio de los aparatos de medida se basa en las diferencias físicas entre unos aparatos y otros, ya que el principio físico es el mismo para casi todos, el electromagnetismo, aunque también, existen algunos pocos basados en otras propiedades de la corriente eléctrica, como es el calor, o la inducción.

Los aparatos electromagnéticos pueden ser:
- De cuadro móvil e imán fijo
- De bobina fija y de hierro móvil
- Electrodinámicos
- Térmicos
- De inducción

Tipos de instrumentos de medición.

Los instrumentos se pueden clasificar según la función que realizan y según la variable de proceso que evaluarán, por lo tanto:

a. Según la función, los instrumentos se agrupan en:

• Instrumentos ciegos: Estos son aquellos que no tienen indicación visible de la variable.

Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.

• Instrumentos indicadores: Estos disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.

• Instrumentos registradores: Estos registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.

Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm./hora.

• Elementos primarios: Ellos están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.

• Transmisores: Los transmisores son instrumentos utilizados para captar la variable de proceso a través de un elemento primario y transmitirla a distancia en forma de señal neumática o electrónica. Estas señales permiten monitorear y controlar la variable en sistemas de automatización y control industrial.

En el caso de los transmisores neumáticos, la señal se transmite en un rango de presión de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada). Esta señal puede convertirse a unidades métricas, como bar o kg/cm2, que equivalen a 0,206 - 1,033 bar o 0,21 - 1,05 kg/cm2. Por otro lado, los transmisores electrónicos utilizan una señal de corriente continua de 4 a 20 mA, que es una señal normalizada ampliamente utilizada en la industria.

Además de estas señales estándar, también existen transmisores que utilizan señales electrónicas de 1 a 5 mA, 10 a 50 mA o incluso una señal digital. Estas señales pueden ser compatibles con sistemas de control y adquisición de datos, como computadoras o sistemas de monitoreo inteligentes.

El elemento primario puede ser parte integral del transmisor o un componente separado. Por ejemplo, en un transmisor de temperatura de bulbo y capilar, el bulbo y el capilar forman el elemento primario que captura la temperatura y la transmite al transmisor. En el caso de un transmisor de caudal, la placa orificio puede ser el elemento primario que mide el caudal y envía la señal al transmisor.

Estos transmisores son fundamentales en el control y monitoreo de procesos industriales, ya que permiten una medición precisa y una transmisión confiable de la variable de proceso a los sistemas de control y supervisión. Su uso es común en industrias como la petroquímica, la automotriz, la alimentaria y muchas otras donde se requiere un control preciso y continuo de las variables del proceso.

• Transductores:

Los transductores son dispositivos que reciben una señal de entrada, que puede estar relacionada con una o más cantidades físicas, y la convierten en una señal de salida modificada o no. Estos dispositivos desempeñan un papel fundamental en la medición y control de variables físicas en sistemas industriales.

Un ejemplo de transductor es el relé, que recibe una señal de entrada eléctrica y la convierte en una señal de salida para activar o desactivar un circuito. Otro ejemplo es el convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), que recibe una señal de presión de proceso y la convierte en una señal de intensidad eléctrica proporcional. De manera similar, un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática) recibe una señal de presión de proceso y la convierte en una señal neumática proporcional.

Estos transductores permiten la medición y control de diferentes variables físicas, como presión, temperatura, nivel, caudal, entre otras. Son utilizados en una amplia gama de aplicaciones industriales para convertir las señales de las variables físicas en formatos más adecuados para su procesamiento, visualización y control.

En resumen, los transductores son dispositivos clave en la instrumentación y control industrial, ya que permiten la conversión de señales de entrada en señales de salida compatibles con los sistemas de control y supervisión, facilitando así el monitoreo y control de los procesos industriales.

• Convertidores: Los convertidores son dispositivos que reciben una señal de entrada, ya sea en forma neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA DC), proveniente de un instrumento, y la modifican para enviar una señal de salida estándar. Estos dispositivos desempeñan un papel importante en la interconexión de diferentes tipos de instrumentos y sistemas de control.

Un ejemplo de convertidor es el convertidor P/I (presión a intensidad), que recibe una señal de entrada neumática y la convierte en una señal de salida electrónica. Este tipo de convertidor es útil cuando se desea utilizar una señal electrónica en lugar de una señal neumática para su procesamiento o control.

Otro ejemplo es el convertidor I/P (intensidad a presión), que recibe una señal de entrada eléctrica y la convierte en una señal de salida neumática. Este tipo de convertidor es utilizado cuando se requiere una señal neumática para controlar dispositivos neumáticos o actuadores.

Es importante destacar que el término "convertidor" se utiliza en un sentido general y no debe aplicarse de manera específica a un dispositivo en particular. La función principal de los convertidores es adaptar las señales de entrada y salida entre diferentes formatos, ya sea para facilitar la comunicación entre diferentes tipos de instrumentos o para adecuar las señales a los requisitos del sistema de control.

En resumen, los convertidores son dispositivos que permiten la conversión de señales de entrada en señales de salida compatibles con los sistemas de control y supervisión.

• Receptores: Estos reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.

• Controladores:

Los instrumentos controladores son dispositivos que comparan la variable controlada, como la presión, nivel o temperatura, con un valor deseado preestablecido y toman acciones correctivas en función de la desviación entre la variable controlada y el valor deseado. Su función principal es mantener la variable controlada dentro de los límites establecidos y garantizar un funcionamiento óptimo del proceso.

Existen dos tipos de instrumentos controladores: los controladores locales y los controladores remotos. Los controladores locales reciben directamente la variable controlada y la comparan con el valor deseado utilizando un mecanismo interno, como una válvula de control o un relé. Estos controladores toman decisiones de control y ajustan la salida correspondiente para corregir cualquier desviación.

Por otro lado, los controladores remotos reciben la variable controlada en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor. Estos controladores utilizan la señal recibida para realizar la comparación con el valor deseado y generan una señal de salida que se envía a través de un actuador, como una válvula de control, para corregir la desviación.

Los instrumentos controladores son fundamentales en los sistemas de control de procesos industriales. Proporcionan la capacidad de regular y mantener las variables controladas en un rango específico, lo que contribuye a la eficiencia y la seguridad de las operaciones. Estos dispositivos permiten la automatización y la optimización de los procesos, garantizando un control preciso y confiable de las variables de interés.

En resumen, los instrumentos controladores son dispositivos que comparan la variable controlada con un valor deseado y toman acciones correctivas para mantenerla dentro de los límites establecidos. Ya sea a través de controladores locales o remotos, desempeñan un papel crucial en el control y la regulación de los procesos industriales.

• Elemento final de control: El elemento final de control es el componente que recibe la señal generada por el controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control para lograr el ajuste deseado en el proceso. Su función es ejecutar la acción correctiva necesaria para mantener la variable controlada en el valor deseado.

En el control neumático, el elemento final de control suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático. Estos dispositivos responden a la señal neumática recibida del controlador y ajustan el flujo de aire o gas para controlar el proceso. La señal neumática normalizada utilizada en este caso es de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o su equivalente en unidades métricas, como 0,2-1 bar o 0,2-1 Kg/cm².

En el control electrónico, el elemento final de control puede ser una válvula o un servomotor que son accionados mediante un convertidor de intensidad a presión (I/P) o una señal digital a presión. Estos convertidores convierten la señal electrónica de 4 a 20 mA (corriente continua) o señal digital a una señal neumática de 3 a 15 psi, que luego se utiliza para controlar el flujo del fluido en el proceso.

En el control eléctrico, el elemento final de control suele ser una válvula motorizada que se acciona mediante un servomotor eléctrico. Este tipo de configuración permite ajustar el caudal del fluido de manera precisa y controlada utilizando señales eléctricas.

Es importante destacar que las señales neumáticas (3-15 psi) y electrónicas (4-20 mA) son estándar en la industria y permiten la interoperabilidad entre diferentes instrumentos de la planta. Sin embargo, en el caso de las señales de salida digital, como las generadas por transmisores y controladores, las señales pueden ser específicas del fabricante y no ser compatibles con otros dispositivos.

En conclusión, el elemento final de control es el componente que recibe la señal del controlador y modifica el flujo del fluido o agente de control para lograr el ajuste deseado en el proceso. Puede ser una válvula neumática, un servomotor neumático, una válvula motorizada o dispositivos similares, dependiendo del tipo de control utilizado.

b. Según la variable de proceso, los instrumentos se clasifican en:

Los instrumentos se clasifican según la variable de proceso que miden. Algunos de los tipos de instrumentos comunes son:

1. Instrumentos de caudal: Miden la cantidad de flujo de un fluido en un sistema.

2. Instrumentos de nivel: Miden el nivel de líquido o sólido en un recipiente o tanque.

3. Instrumentos de presión: Miden la presión de un fluido o gas en un sistema.

4. Instrumentos de temperatura: Miden la temperatura de un objeto o ambiente.

5. Instrumentos de densidad y peso específico: Miden la densidad de un líquido o sólido, o el peso específico de un líquido.

6. Instrumentos de humedad y punto de rocío: Miden la humedad relativa del aire y el punto en el cual el vapor de agua se condensa.

7. Instrumentos de viscosidad: Miden la viscosidad de un líquido, que es su resistencia interna al flujo.

8. Instrumentos de posición: Miden la posición relativa de un objeto o componente.

9. Instrumentos de velocidad: Miden la velocidad de un objeto o flujo.

10. Instrumentos de pH: Miden el nivel de acidez o alcalinidad de una solución.

11. Instrumentos de conductividad: Miden la conductividad eléctrica de una solución, que está relacionada con la concentración de iones presentes.

12. Instrumentos de frecuencia: Miden la frecuencia de una señal eléctrica o vibración.

13. Instrumentos de fuerza: Miden la fuerza aplicada a un objeto.

14. Instrumentos de turbidez: Miden la claridad o turbidez de un líquido en función de la cantidad de partículas suspendidas en él.

Esta clasificación se basa en la variable medida y es independiente del sistema utilizado para convertir la señal del proceso. Por ejemplo, un transmisor neumático de temperatura que utiliza variaciones de presión para medir la temperatura sigue siendo considerado un instrumento de temperatura. Del mismo modo, el receptor que recibe la señal neumática de ese transmisor se clasificaría como un instrumento de temperatura, aunque también podría ser considerado como un instrumento de presión, caudal, nivel u otra variable dependiendo de la señal medida por el transmisor correspondiente.

Esta clasificación también es independiente del número y tipo de transductores utilizados entre el elemento primario y el instrumento final. Por ejemplo, en el caso de un sistema que incluye un transmisor electrónico de nivel con una señal de 4 a 20 mA, un receptor controlador con salida de 4 a 20 mA, un convertidor de corriente a presión (I/P) que convierte la señal de 4 a 20 mA en una señal neumática de 3 a 15 psi, y una válvula neumática de control, todos estos instrumentos se considerarían instrumentos de nivel.

En la designación del instrumento se utiliza en el lenguaje común las dos clasificaciones expuestas anteriormente. Y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presión, controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradores de caudal, etc.

En la figura siguiente pueden verse la representación de los diversos instrumentos descritos.

Figura - . Representación de instrumentos en un diagrama de instrumentación

c. Funcionamiento analógico y digital

Es posible, además, clasificar la forma en que pueden ejecutarse las funciones básicas enfocando la atención a la naturaleza continua o discreta de las señales que representa la información. Las señales que varían en forma continua y que pueden tomar una infinidad de valores en cualquier intervalo dado, se llaman señales analógicas; los dispositivos que producen esas señales se llaman dispositivos analógicos. (Esto es rigurosamente cierto en un sentido macroscópico, ya que todos los efectos físicos se convierten en discretos en consideraciones atomísticas.) En contraste, las señales que varían en pasos discretos y pueden así tomar solamente un número finito de valores diferentes, se describen como señales digitales; los aparatos que producen estas señales se llaman aparatos digitales. La mayoría de los aparatos de medida actuales son del tipo analógico. Está aumentando la importancia de los instrumentos digitales, quizá principalmente debido al uso creciente de las computadoras digitales, tanto en los sistemas de reducción de datos como en los automáticos de control. Como la calculadora digital trabaja solo con señales digitales, cualquier información que se le suministre debe ser en la forma digital. La salida de la computadora tiene también forma digital. Así, cualquier comunicación con la computadora en el extremo de la entrada o de la salida deberán darse en señales digitales. Como la mayor parte de las medidas actuales y aparatos de control son de naturaleza analógica, es necesario tener tanto convertidores analógicos a digitales (a la entrada de la computadora) como convertidores digitales a analógicos (a la salida de la computadora). Estos dispositivos sirven de "traductores" que permiten al calculista comunicarse con el mundo exterior, que es en su mayor parte de naturaleza analógica.

MEDICIONES ELÉCTRICAS : INSTRUMENTOS INDICADORES DE LECTURA DIRECTA

Los instrumentos indicadores de medición constituyen los dispositivos básicos de medida en los trabajos del laboratorio electrónico y en el taller de reparaciones. También se los utiliza frecuentemente como indicadores de funcionamiento en diversos equipos (comunicaciones, medicinales, etcétera) . Las características electromecánicas de sus sistemas móviles deterrninan sus comportamientos. y limitaciones, así como el campo de aplicaciones para efectuar con ellos diversas clases de mediciones. En la Figura 1.1 se exhiben diversas escalas de instrumentos indicadores.

FIG. 1. 1. Escalas de indicadores de CC y CA: (A) escala lineal (CC) ; (B) escala cuadrática (CA) ; (C) cero central (CC) .

MECANISMOS INDICADORES Debido a la gran variedad de configuraciones que adoptan los instrumentos indicadores, es esencial estar familiarizado con los más comunes y con sus especificaciones. Para transformar los efectos de la corriente o el voltaje (CC o CA) en el desplazamiento de una aguja indicadora, se emplean los más variados métodos. En los párrafos siguientes se analizan los principios en que, se basan los instrumentos indicadores más importantes.

Sensibilidad. La cuestión más importante es elegir el instrumento que mejor se adapta a cada aplicación, prestando atención especial a la sensibilidad que se necesita. Un amperímetro, por ejemplo, tiene un valor de corriente límite que pueda medir, y es la que marca el final de su escala. Normalmente este valor está marcado claramente en la escala del aparato. Las corrientes mayores que la máxima pueden dañar las partes móviles que hay dentro del instrumento, o al menos doblar la aguja indicadora.

Las mismas consideraciones se pueden aplicar a la selección de un voltímetro, o sea, poner atención a su lectura máxima y elegir uno que pueda hacer frente a las diferencias de potencial que se quieren medir. En la figura siguiente se representan algunas escalas típicas de amperímetros y de voltímetros.

Figura -Escalas típicas de amperímetros y voltímetros.

Conexiones (+) y ( - ). Algunos instrumentos de medida tienen una marca de ajuste de cero que permite indicar una gama pequeña de valores negativos, cuando la corriente o el voltaje están en sentido inverso del supuesto. Pensando en que la corriente sigue el sentido establecido por convenio, se debe conectar al punto de mayor potencial el terminal positivo del aparato de medida. Si las conexiones están realizadas de forma equivocada, la aguja se irá a la izquierda en vez de ir a la derecha, y entonces se deben conectar los cables al revés. Frecuentemente el terminal positivo de los instrumentos de medida es de color rojo o está marcado con un signo (+).

Lectura de la escala. En la figura anterior se puede observar que el tamaño de las divisiones de la escala puede variar dependiendo de la gama de valores que puede medir el instrumento. Se debe observar la escala cuidadosamente para asegurarse de la posición exacta de la aguja indicadora entre las marcas numeradas de la escala.

Corriente alterna y corriente continua. Los instrumentos de medida normales están diseñados para ser utilizados con c.c. (corriente continua, d.c. en inglés) o con c.a. (corriente alterna, a.c. en inglés), pero no con ambas. La marca = indica corriente continua, mientras que la marca ~ indica corriente alterna. Un instrumento de corriente continua no funciona con corrientes alternas. Algunos instrumentos de corriente alterna responden a las corrientes continuas, pero no indican los valores correctos.

Sistema D'Arsonval. En la Figura 1.2 puede apreciarse un sistema móvil de este tipo, que es un aparato electromagnético de cuadro móvil . Consta de un imán permanente fijo en la carcasa del aparato y de una bobina en forma de cuadro colocada entre los dos polos del imán, esta bobina va montada sobre un eje para que pueda girar libremente sobre sus ejes, solidaria con la bobina de cuadro está la aguja que se mueve dentro de un sector graduado, las divisiones de este sector son proporcionales a la cantidad de corriente que pasan por la bobina de cuadro. Utiliza una bobina que termina en un par de resortes antagónicos en espiral (Figura 1.3 A), a través de los cuales circula la corriente a medir. La bobina, o cuadro móvil, está dentro del campo magnético casi homogéneo que produce un imán permanente y se desplaza con un movimiento giratorio (Figura 1.3 B) . El ángulo de rotación es proporcional a la corriente que circula por la bobina. Una aguja, vinculada con el cuadro móvil, indica la posición de éste sobre una escala calibrada en términos de corriente o voltaje. Este mecanismo indicador sólo responde a la corriente continua y presenta una calibración casi lineal, como se aprecia en la Figura 1.1 A, El "shunt" magnético, que altera la intensidad del campo, se emplea para la calibración.

Fig. 1.2. Sistema indicador D'Arsonval.

Fig. 1 .3. Princípios del mecanismo D'Arsonval: (A) bobina con resorte a espiral y (B) movimiento rotativo.

La bobina de cuadro al ser móvil necesitan que haya una unión del principio y el final de la bobina con la parte estática, esta unión se hace a través de dos conductores en forma de muelle, que a la par que comunican la corriente sirven de muelles antagonistas, que amortigüen las oscilaciones de la aguja, la aguja tiene un pequeño brazo en forma de cruz, donde se colocan unos contrapesos para equilibrar la aguja.

En el cristal de protección, y sobre el mismo eje de la aguja hay un tornillo con una leva excéntrica que girándolo con gran cuidado sirve para colocar la aguja en el cero de inicio de lectura, este ajuste solo es preciso hacerlo la primera vez que se coloca el instrumento en el cuadro de medida, no conviene tocarlo mucho porque se puede estropear de no hacerlo siempre con sumo cuidado.

A fin de aumentar la fuerza del campo magnético, dentro de la bobina de cuadro se coloca un cilindro de hierro dulce, que no se representa en la figura.

Los aparatos de cuadro móvil requiere que, para que se produzca el efecto de desplazamiento de la aguja, la corriente que circule por la bobina sea continua y siempre en el mismo sentido, es decir que los bornes del aparato de medida tiene que ir marcada la polaridad de entrada de corriente con el signo +. En caso de equivocación, el desvío de la aguja se produce hacia el lado contrario de la escala graduada.

Se construyen algunos pocos de estos tipos de aparatos con el cero en el centro de la escala, para que la aguja se desplace hacia el lado positivo o negativo de la escala. Si por error se conecta a corriente alterna, la aguja no se desplaza desde el lado positivo al negativo, se queda vibrando en el cero, desplazándose apenas unas décimas de milímetros.

Los aparatos electromagnéticos de cuadro móvil son para corriente continua se puede emplear para corriente alterna siempre que se intercale un rectificador de corriente, lo que provoca una ligera desviación de la aguja debida a la caída de tensión en el rectificador, por lo que el sector graduado tendrá dos escalas una para la corriente continua y otra para la alterna.

La sensibilidad o el grado de precisión de estos aparatos es grande, o muy precisos, según se quiera decir, se llaman buenos aparatos aquello que tiene una bobina móvil con una resistencia de 20.000 ohmios (20 K ), y de baja calidad todos los que tengan una resistencia menor (8 K ). El consumo de este tipo aparato es mínimo, por lo son muy empleados en la búsqueda de averías en receptores de muy bajo consumo, generalmente en forma de aparato portátil con conmutador para medir, voltaje, resistencia, corriente, tanto en CC como en CA y con variación de escalas.

Sistema electrodinámico o dinamométrico

Estos aparatos tienen dos bobinas, una fija de hilo grueso y otra móvil de hilo fino, colocada esta en el interior de la bobina fija, cuando circula corriente por las bobinas, el campo creado por la bobina fija y el creado por la bobina de la bobina móvil se orientan dé manera que coincida sus campos magnéticos . El mecanismo dinamométrico representado en la Figura 1.4 es muy semejante al sistema D'Arsonval, pero en vez de utilizar un imán permanente emplea una segunda bobina a través de la cual circula la misma corriente que pasa por la bobina móvil (Figura 1.5). Este tipo de mecanismo indicador puede utilizarse tanto para médiciones de CA como de CC, pero su escala tiene una calibración que sigue una ley cuadrática, como se representa en la Figura 1.1 B. Se usan exclusivamente como vatímetros en corriente alterna

Fig. 1.4. Sistema dinamométrico.

(c)

Fig. 1.5. Principios del mecanismo dinamométrico: (A) conjunto de las dos bobinas y (B) movimiento de rotación. (c) Instrumento electrodiámico blindado.

>> Siguente >>