Medición de parámetros eléctricos: Voltaje, Corriente y Resistencia, Apuntes de Automatización Industrial

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CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

UNIDAD Nº II

Instrumentos de medición.

Introducción

Durante la presente semana se revisarán los conceptos de medición de parámetros en

corriente continua, para lo cual se estudiará el uso del multímetro, tester o también llamado

multitester.

Este instrumento es uno de los equipos más utilizados al momento de verificar el

funcionamiento de un circuito eléctrico, ya que su nombre de multímetro o multitester, se

debe a que es capaz de medir múltiples variables de un circuito, es decir, puede medir

varios parámetros eléctricos, dependiendo de cómo se ajuste.

Los parámetros más comunes son voltaje, corriente y resistencia, además con estos

valores, puedo determinar el valor de la potencia eléctrica, aunque existen otros

instrumentos que se verán en otras asignaturas, que permiten leer directamente dicha

variable, preferentemente en circuitos de corriente alterna, como el de la red eléctrica

domiciliaria.

SEMANA 1

internacionalmente estandarizada, lo que nos permite, además, conocer los

símbolos usados para la medición de circuitos.

Multímetro

Uno de los instrumentos más ocupados para medir múltiples cantidades eléctricas son

los multitester o multímetros. Los equipos más básicos pueden medir como mínimo tres

tipos de magnitudes eléctricas como:

• Voltajes (Alternos y continuos)
• Corrientes (Alternas y continuas)
• Resistencia eléctrica (Será definida en la segunda guía de laboratorio)

El multímetro puede ser de dos clases:

• Analógico: En los multímetros analógicos la lectura de la medición se realiza

evaluando la posición de una aguja móvil en una escala graduada.

• Digital: En los multímetros digitales, la lectura se realiza directamente en un

visualizador de cristal líquido o pantallas LCD, donde los valores se presentan

directamente en forma de dígitos.

Los instrumentos digitales presentan algunas ventajas sobre los analógicos, antes que

nada, los errores de lectura se eliminan, así como también los órganos mecánicos que

están en movimiento. De las características de un instrumento de medición, digital o

analógico, depende su rendimiento y por lo tanto su fiabilidad. Los parámetros más

importantes son:

• Sensibilidad
• Rango
• Precisión

ERRORES DE MEDICIÓN

Medir una cantidad significa compararla con otra que es homogénea a ella. Para medir,

por ejemplo, la longitud de una habitación usamos el metro como elemento homogéneo

de comparación. De todas maneras, cuando se efectúan algunas mediciones se cometen

fácilmente algunos errores, por lo que el valor medido a menudo no coincide con el valor

real, además que cuando se fabrican los componentes eléctricos, siempre existe en ellos

una tolerancia, es decir un porcentaje de error entre lo que mide un componente y lo que

se supone que debiese medir, como es el caso de los resistores eléctricos, lo cual se

traduce en que los parámetros medidos que dependen de ellos, también estarán afectos

a esta tolerancia.

Durante una medición se pueden cometer esencialmente dos tipos de errores.

• Errores sistemáticos: son errores que se manifiestan cada vez que se realiza la

medición; son debidos generalmente a imperfecciones de los instrumentos o al

método adoptado para dicha medición.

• Errores accidentales: estos errores no pueden ser completamente previstos,

debido a factores ambientales, a contactos defectuosos o a errores de lectura.

En particular los errores de lectura se manifiestan cuando se usan instrumentos en los

cuales la medición se aprecia mediante el movimiento de una aguja en una escala

graduada. En este caso, la precisión de la medición depende de la habilidad del operador

para apreciar el valor incluido entre dos divisiones (error de apreciación), y de la posición,

perpendicular al plano de la escala u oblicuo a este plano, adoptada por el operador para

efectuar la medición (errores de paralaje).

Los errores accidentales pueden ser generalmente reducidos realizando la medición más

de una vez y calculando un promedio de los valores medidos.

En base a las consideraciones hechas hasta ahora, la diferencia entre el valor medido y

el valor exacto o teórico, se define como error absoluto:

Ea =  Xm – XT 

A continuación, se muestra la terminología ocupada para describir y seleccionar los

instrumentos ocupados para medir variables físicas en procesos industriales, las cuales

se encuentran descritas en las hojas de datos de estos equipos. Las definiciones de los

términos aquí empleados, se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA

( Sientific Apparatus Markers Association) , de los cuales veremos algunos de ellos.

Campo de medida (range): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que

están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida

o transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

Por ejemplo; el campo de medida de un determinado instrumento de temperatura es 100-

300 ºC.

r = Xmin - Xmax

donde:

r : rango de medida del instrumento

Xmin : límite inferior de la capacidad de medida del instrumento

Xmax : límite superior de la capacidad de medida del instrumento.

Nota importante: En la expresión anterior el símbolo “ - ” no indica la operación aritmética

de sustracción, si no, expresa la separación de dos valores límite. En todas las

expresiones subsiguientes, los símbolos aritméticos adquieren su significado común, a

menos que se indique explícitamente lo contrario.

Dinámica de medida o rangeabilidad (rangeability): Es el cociente entre el valor de

medida superior e inferior de un instrumento.

En el ejemplo anterior sería de 300/100 = 3.

De esta forma la dinámica de medida se puede expresar como:

d =

Xmax

Xmin

donde:

d : dinámica de medida

Xmin : límite inferior de la capacidad de medida del instrumento

Xmax : límite superior de la capacidad de medida del instrumento

Alcance (Span ): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del

campo de medida de un instrumento. Por ejemplo, en un instrumento de temperatura de

rango 100-300 su alcance será: 300 – 100 = 200. De esta forma podemos expresar el

alcance como:

s = Xmax Xmin

donde:

s : alcance de medición del instrumento.

Xmin : límite inferior de la capacidad de medida del instrumento

Xmax : límite superior de la capacidad de medida del instrumento

Exactitud (Accuracy): Es la cualidad de un instrumento de medida por la cual tiende a

dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.

Precisión: Es la tolerancia de la medida o de transmisión del instrumento (intervalo

donde es admisible que se sitúe el valor de la variable medida) y define los límites de los

p : precisión dada en tanto por ciento del alcance.

Xm : valor leído o transmitido de la variable medida.

X± : valor real de la variable medida con su rango de tolerancia (P. Ejem: 150º 1º).

d.- Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: Si el campo

de medida máximo de un instrumento de temperatura es 300º C y su precisión en tanto

por ciento del valor máximo del campo de medida es de  0,5%, entonces la tolerancia

quedará expresada independiente del valor leído o transmitido, como 0,5% de 300º C

= 1,5º C. De esta forma, cuando la precisión está expresada en tanto por ciento del

valor máximo del campo de medida, la expresión para determinarla será:

donde:

p : precisión dada en tanto por ciento del alcance.

a : alcance.

Xmax : límite superior de la capacidad de medida del instrumento

X± : valor real de la variable medida con su rango de tolerancia (P. Ejem: 150º 1º).

e.- Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de escala de

un instrumento medidor de voltaje (voltímetro) está fijado en la escala de 300 Volts, la

precisión  0,5% representa 1,5 Volts. De esta forma la expresión que representa la

tolerancia de una medición en una escala determinada cuando la precisión está dada en

tanto por ciento de la longitud de escala será:

donde:

p : precisión dada en tanto por ciento del alcance.

A : alcance.

XS : longitud de escala en la cual se realiza la medición.

X± : valor real de la variable medida con su rango de tolerancia (P. Ejem: 250 1,5V).

Zona Muerta (dead zone o dead band): Es el campo de valores de la variable que no

hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce

su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo; En

un instrumento de temperatura de campo de medida 100ºC – 300ºC, es decir, con

alcance de 200ºC se indica que su zona muerta corresponde a 0,1%, es decir, 0,1 x 200

/ 100 =  0,2º C. La expresión matemática que representa esta relación está dada por:

donde:

DZ : tolerancia del valor de la variable de zona muerta.

dz : tanto por ciento de zona muerta en términos de % del alcance del instrumento.

A : alcance.

Resolución: Magnitud de los cambios de escalón de la señal de salida (expresados en

tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en

todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores

equivalentes de una cantidad, o la menor diferencia de valor que el aparato puede

distinguir. Por ejemplo, el cambio de escalón de un voltímetro es de 0,1 Volts en la escala

de 0 a 10V, por lo tanto su resolución en esa escala será; ( 0,1V / 10V ) x 100% = 1%.

Resolución infinita: Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y

continua en todo el campo de trabajo del instrumento. Por ejemplo, en un voltímetro

analógico, la aguija se mueve de forma continua a través de todo el campo de medida y

no cambia entre escalones, aunque se indiquen con líneas sobre el instrumento.

Trazabilidad (Traceability): Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con

un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o

internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las

incertidumbres determinadas.

Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la

transmisión, indicación o registro de los datos deseados.

Linealidad: La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

Linealidad basada en puntos: Falta de linealidad expresada en forma de desviación

máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados

correspondientes al cero y al 100% de la variable medida.

Estabilidad: Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante

su vida útil y de almacenamiento especificado.

Temperatura de servicio: Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el

instrumento dentro de límites de error especificados.

Vida útil de servicio: Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las

características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten

cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas.

Medición de Resistencia

ÓHMETRO U OHMIMETRO

Este instrumento básicamente sirve para medir

resistores, está conformado por un miliamperímetro de bobina

móvil, el cual podemos decir, que es el componente principal;

además de un resistor limitador, un reóstato para el ajuste de la

escala y 1 pila o más.

OPERACION: El lado positivo de la o las pilas se conecta al

positivo del medidor, el resistor y el reóstato se conectan en el

negativo, en serie. Luego el negativo de la pila es una punta de

prueba y en el extremo sin conexión del reóstato es la segunda

punta de prueba. Entre las 2 puntas conectamos el resistor en

prueba, el cual cierra el circuito y nos da el valor del mismo (Ver

figura de la derecha)

Para este caso, si el resistor en prueba es de 0 ohmios la aguja del instrumento

girará hasta el otro extremo. Para ajustar la escala del instrumento se deberá tener

resistores de los cuales se conozca su valor e ir numerando la carátula del

instrumento según las lecturas, podría ser, por ejemplo, un resistor de 1k, 2k, 5k,

10k, etc. y afinar el ajuste con el mini-potenciómetro R2.

Por lo tanto, antes de utilizar un óhmetro analógico, se deben unir las puntas y

ajustar el potenciómetro para que el instrumento posicione la ajuga en el valor cero.

Ya que recordemos que un cable conductor, como las puntas de prueba, deben

tener una resistencia eléctrica muy pequeña, para que no influyan en la medición

razones fundamentales: primero para evitar que la

medición sea alterada por la presencia de otras

resistencias, segundo para evitar que el instrumento sea atravesado por la

corriente del circuito que podría dañarlo. Por lo tanto, COMO NORMA DE

SEGURIDAD, AL MEDIR RESISTENCIA EL COMPONENTE NO DEBE ESTAR

ENERGIZADO. Los terminales de prueba del instrumento se conectan en paralelo

al dispositivo a medir.

Para medir un resistor se debe adecuar el tester para medir resistencia, ajustando el

rango de medición en la escala más cercana superior posible del valor a medir, para lo

cual deberá tomar como referencia el valor teórico del resistor, dado por el código de

colores. Para el ejemplo de la imagen, se quiere medir un resistor de 15,5KΩ, por lo que

se toma la escala más grande posible superior, que para este instrumento será de 20 K.

Luego, con el multímetro encendido, realizar la medición del resistor, ya sea del elemento

fuera del circuito o directamente sobre el componente en un circuito impreso, pero con

el circuito desenergizado.

medición con un instrumento analógico es necesario tener en cuenta la polaridad porque

en caso contrario la aguja tenderá a moverse en dirección opuesta a la de medición,

causando graves daños al instrumento. Con los instrumentos digitales, en cambio, no es

necesario tener en cuenta la polaridad porque, en caso de invertir los terminales del

voltímetro, aparecerá directamente en el visualizador el signo "-" delante del valor

numérico.

Para realizar este tipo de medición, el instrumento se debe conectar en paralelo al

componente a medir, es decir que los terminales positivo y negativo del componente y el

instrumento se conecten al mismo punto, por ejemplo, en la siguiente figura se aprecia

un esquema de un circuito eléctrico simple (una batería conectada a una ampolleta)

dónde se procede a medir el voltaje de la fuente de alimentación.

En la práctica, para medir voltaje con un multitester se selecciona la unidad de medición,

en este caso volts, para corriente continua o DC, expresado por el símbolo. Luego se

revisa que el cable rojo esté conectado al terminal del tester que indique la letra V de

voltaje y el negro que esté conectado al terminal de tierra o común COM.

Luego se selecciona la escala adecuada, si no tenemos idea de que magnitud de voltaje

vamos a medir, escoger la escala más grande.

Si no tiene selector de escala seguramente el multímetro escoge la escala para medir

automáticamente.

Se conecta el multímetro a los extremos del componente (se pone en paralelo) y se

obtiene la lectura en la pantalla. Si la lectura es negativa, significa que el voltaje en el

componente medido tiene la polaridad al revés de la que seleccionamos al conectar los

cables.

Normalmente en los multímetros, para medir voltaje, el cable rojo debe tener una tensión

más alta que el cable negro.

Para esta medición, el circuito puede estar energizado y el instrumento encendido, pues

al tener una alta resistencia no altera al circuito y por ende no existe riesgo de daño del

circuito, del instrumento o el operario.

Medición de corriente

Para realizar medición de corrientes, se conecta el multitester como amperímetro, para

lo cual éste debe estar conectado en serie al circuito de manera tal que la corriente lo

atraviese; por lo tanto, es necesario interrumpir una sección del circuito e insertar el

instrumento.

Obviamente el amperímetro no debe alterar las cantidades eléctricas del circuito por lo

que debe presentar una muy baja resistencia interna, para que TODA la corriente pase

a través del instrumento y de esta forma poder medirla. Por lo tanto, este equipo de