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: Estos captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21 - 1,05 Kg./cm2) por lo cual, también se emplea la señal en unidades métricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 Kg./cm2). Asimismo, se emplean señales electrónicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de O a 20 mA c.c., la señal normalizada es de 4-20 mA c.c. La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador. El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario.

• Transductores: Estos reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.

• Convertidores: Estos son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos.

• 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: Estos comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.

• Elemento final de control: Este recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumática 3-15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa  accionada por un servomotor eléctrico. Las señales neumáticas (3-15 psi o 0,2-1 bar o 0,2- 1 Kg./cm2) y electrónica (4-20 mA c.c.) permiten el intercambio entre instrumentos de la planta. No ocurre así en los instrumentos de señal de salida digital (transmisores, controladores) donde las señales son propias de cada suministrador.

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

Instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dínamo. Asimismo, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el caso de un transmisor electrónico de nivel de 4 a 20 mA c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad presión (I/P) que transforma la señal de 4-20 mA c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran 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.

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