En apuntes anteriores se mencionó que un instrumento indicador, o instrumento de medida con dispositivo indicador, hace referencia al “instrumento de medida que produce una señal de salida con información sobre el valor de la magnitud medida”. De esta forma se puede hacer agrupar los instrumentos en dos grandes grupos en función de la forma en la cual presentan los valores de medida: instrumentos analógicos e instrumentos digitales. A continuación, veremos el principio de funcionamiento de los mismos.
A continuación, veremos el principio de funcionamiento de los mismos.
Galvanómetro
El galvanómetro de D´Ansorval, en honor a quién lo inventara en 1882, es también
conocido como Instrumento de Bobina Móvil e Imán Permanente (IPBM) y consiste en
un instrumento de medida que, al igual que el resto de instrumentos magnetoeléctricos,
produce la deflexión de una aguja sobre una escala al ser atravesado por una corriente
eléctrica.
Este instrumento es el resultado de los trabajos realizados durante el siglo XVII por
investigadores como Hans Oersted, Johann Schweigger, André-Marie Ampère, Sir W.
Thomson (Lord Kelvin) y Luigi Galvani, quienes estudiaron los efectos de la interacción
entre los campos magnéticos provistos por imanes y los generados por corrientes
eléctricas al circular por un arrollamiento.
A rasgos generales el galvanómetro se compone de los siguientes elementos:
- Campo magnético estacionario;
- Bobina móvil;
- Medios para detectar la deflexión angular de la bobina,
- Dispositivo que produce el par recuperador de la bobina;
- Sistema de amortiguamiento.
El campo magnético estacionario es provisto por un imán permanente, el cual
generalmente se encuentra vinculado a un núcleo ferroso que posee el espacio dentro
del cual colocar la bobina móvil junto a su núcleo y eje de rotación. De esta forma, el
campo magnético es direccionado hacia la misma y, cuando circula corriente a través de
ella, se produce un campo magnético que, al interactuar con el del imán causa la
deflexión de la bobina. Esta deflexión será proporcional a la intensidad de la corriente
eléctrica que circule por ella.
Con el fin de reducir el rozamiento producido sobre el eje de rotación, la bobina móvil
pivota sobre dos cojinetes de zafiro de muy pequeña fricción y, en ocasiones, los mismos
descansan sobre muelles que tienen como fin absorber las vibraciones producidas en el
traslado del instrumento.
Como medio para detectar la deflexión mencionada se vincula una aguja indicadora al
conjunto de la bobina móvil. El extremo opuesto de dicha aguja se desplaza sobre una
escala al cual permite cuantificar la deflexión producida.
A los extremos del eje de rotación se colocan dos muelles antagonistas, los cuales
cumplen varias funciones. Desde el punto de vista eléctrico conectan la bobina con los
bornes del instrumento y, desde el punto de vista mecánico amortiguan los movimientos
de la bobina cuando circula corriente eléctrica por ella evitando daños en el instrumento
a la vez que la retornan a su posición de reposo una vez que deja de circular la corriente
eléctrica por ellas.
Como bien se mencionó, el movimiento de rotación de la bobina será proporcional a la
intensidad de corriente que circula por la bobina y, dado que es capaz de producir este
movimiento a partir de pequeñas corrientes es utilizado como elemento indicador en
diversos instrumentos de medida. A su vez, siendo que el campo magnético provisto por
el imán es estacionario, la bobina solo puede ser alimentada con corriente continua, caso
contrario, la misma comenzaría a oscilar, siendo detectada las deflexiones solo a
frecuencias bajas.
Instrumento de Hierro Móvil
El instrumento de hierro móvil basa su principio de funcionamiento en el movimiento de
rotación de una lámina de hierro producido por un campo magnético. Si bien existen
dos tipos de instrumentos de bobina móvil (por repulsión o atracción), en ambos casos
la corriente a medir circula por una bobina, la cual, al ser atravesada produce un campo
magnético induce el movimiento de una lámina de hierro.
Instrumento de hierro móvil por repulsión
Este instrumento posee dos pequeñas láminas de hierro alojadas dentro de la bobina,
una fija, y otra móvil vinculada mecánicamente a un eje de rotación y a la aguja
indicadora. Cuando circula corriente por la bobina se produce un campo magnético
alrededor de esta, magnetizando a ambas láminas de hierro. Estas se repelen al ser
polarizadas en el mismo sentido. Dicha repulsión será proporcional a la intensidad de
corriente que da origen al campo magnético.
Al igual que otros instrumentos analógicos, la aguja se desplaza sobre una escala
permitiendo observar las variaciones producidas en la magnitud a medir, posee un juego
de contrapesos para balancear la aguja, y un par de resortes o muelles antagonistas que
permiten que la aguja retorne a la posición de reposo a la vez que suavizan los
movimientos de la misma.
En este tipo de instrumento el tipo de corriente a medir no influye en el principio de
funcionamiento de los mismos ya que, en corriente continúa los polos del campo
magnético generado no varían, manteniendo la repulsión de las láminas constantes. Y
en el caso de corriente alterna, en cada cambio de hemiciclo positivo a negativo -y
viceversa- la polaridad del campo inducido en cada lámina varían de la misma forma,
manteniendo constante la repulsión.
Instrumento de hierro móvil por atracción
Los instrumentos de hierro móvil por atracción están formados por una bobina y una
única lámina de hierro. Cuando se forma un campo magnético alrededor de la bobina,
este atrae a la lámina de hierro al interior de la bobina cómo ocurre con los solenoides.
Aprovechando este movimiento la lámina se encuentra vinculada a un eje de rotación y
la aguja indicadora. De esta forma, el ingreso de la misma se produce la rotación de
dicho eje y, en consecuencia, el desplazamiento de la aguja sobre la escala.
Al igual que en los instrumentos por repulsión, su principio de funcionamiento no varía
como consecuencia del tipo de corriente que se desee medir dado que el cambio, o no,
del campo magnético no producen cambios sobre la atracción de la lámina de hierro
hacia el interior de la bobina.
Instrumentos Electrodinámicos
Este tipo de instrumentos comparten el mismo principio de funcionamiento que los
instrumentos de bobina móvil e imán permanente, con la diferencia que el campo
magnético fijo es producido por una bobina. Los instrumentos electrodinámicos se
distinguen de los ferrodinámicos por la sola diferencia de que los segundos poseen un
núcleo ferroso.
Dado que ambas bobinas son conectadas al mismo tipo de corriente que se desee medir,
los campos magnéticos producidos acompañaran las variaciones de las corrientes que
los originan. Esto permite que este tipo de instrumentos puedan ser utilizados en
mediciones de corriente continúa como de corriente alterna.
Siendo que, en estos tipos de instrumentos los campos magnéticos fijo y móvil son
consecuencia de las corrientes eléctricas que los atraviesen a cada una de las bobinas y,
teniendo en cuenta que estas pueden ser conectadas al sistema que se desee medir en
forma independiente una de la otra, pueden ser utilizados cómo vatímetros. Por tal
motivo, este tipo de instrumentos será abordado con mayor profundidad en apartados
posteriores.
Sistemas de amortiguamiento
El comportamiento dinámico de los instrumentos mencionados se puede observar
teniendo en cuenta lo siguiente. Cuando se aplica una corriente constante, la aguja de
los mismos se desplaza sobre la escala hasta alcanza una posición de equilibrio, donde
la fuerza electromagnética es contrarrestada por una fuerza de retorno (normalmente de
un resorte).
Sin embargo, cuando la corriente cambia bruscamente, la aguja responde de acuerdo
con las leyes de la dinámica de los sistemas de oscilación, ya que el sistema móvil tiene
masa, inercia y está sujeto a amortiguamiento. En estas circunstancias el sistema oscila
alrededor de la posición de equilibrio porque la inercia hace que la aguja tienda a
sobrepasar su objetivo cada vez que cambia de dirección. Estas oscilaciones continuarán
hasta que el sistema pierda suficiente energía para detenerse en su posición de reposo.
Para evitar esto, se recurre a sistemas de amortiguamiento con el fin de que las
oscilaciones de la aguja disminuyan rápidamente permitiendo obtener una lectura
estable y precisa.
De acuerdo al diseño de los sistemas de amortiguamiento pueden darse distintas
situaciones. En el caso de sistema subamortiguado (con poco amortiguamiento) la
oscilación se producirá durante un período prolongado, mientras que uno
sobreamortiguado (con demasiado amortiguamiento) esta tardará mucho en alcanzar su
posición final sin oscilar.
Desde el punto de vista práctico, si la aguja oscila durante mucho tiempo, puede ser
difícil obtener una lectura estable, lo que hace que el instrumento sea menos eficiente.
Por otro lado, si el sistema está sobreamortiguado, puede tardar mucho tiempo en
alcanzar su posición final, lo que también puede ser inconveniente en mediciones
rápidas. Por lo tanto, el diseño ideal busca un equilibrio para que el sistema alcance
rápidamente su posición de equilibrio con pocas oscilaciones.
Existen diversos métodos de amortiguamiento empleados en instrumentos de medida
como los mencionados, sin embargo, se puede generalizar y clasificarlos de acuerdo al
principio empleado para tal fin: magnético y neumático.
Los sistemas magnéticos se basan en el principio de inducción electromagnética de
Faraday, que establece que cuando un conductor se mueve dentro de un campo
magnético, se generan corrientes inducidas en el conductor. Estas corrientes inducidas,
conocidas como corrientes de Foucault, generan a su vez un campo magnético que se
opone al movimiento original.
Desde el punto de vista constructivo generalmente incluyen una placa conductora, a
menudo de cobre o aluminio, que se mueve en el campo magnético generado por un
imán fijo. A medida que el sistema móvil, como la bobina o la aguja, se desplaza, induce
corrientes en la placa conductora. Las corrientes de Foucault resultantes crean un campo
magnético opuesto que actúa como resistencia al movimiento, ralentizando y
amortiguando las oscilaciones del sistema sin introducir fricción mecánica.
Este tipo de amortiguamiento es altamente efectivo porque la fuerza de frenado es
proporcional a la velocidad del movimiento. Cuando el sistema móvil se mueve
rápidamente, las corrientes inducidas son mayores, lo que genera una mayor fuerza de
oposición. A medida que el movimiento disminuye, también lo hacen las corrientes
inducidas, permitiendo que el sistema se estabilice gradualmente. Esta característica
asegura que el instrumento no oscile de manera prolongada, alcanzando una posición
de equilibrio de manera controlada y sin introducir retardos excesivos.
En el caso de los sistemas de amortiguamiento neumático, el más empleado es el que
basa su funcionamiento en la resistencia que el aire ofrece al movimiento de una parte
móvil, lo que reduce la velocidad de oscilación y ayuda a que el sistema alcance su punto
de equilibrio.
Los sistemas de amortiguamiento por aire constan de un pistón o un disco que está
conectado al sistema móvil (como la aguja o la bobina) dentro de una cámara de aire.
Cuando la parte móvil se desplaza, este pistón o disco mueve el aire dentro de la cámara
a través de pequeñas aberturas o conductos. El aire, al ser comprimido o empujado,
genera una fuerza de resistencia que actúa en contra del movimiento de la parte móvil,
desacelerando su desplazamiento y, en consecuencia, las oscilaciones.
Ejemplo de este tipo de amortiguamiento es el representado en la figura del Instrumento
de hierro móvil por atracción, indicado como “cámara amortiguadora”, en ella puede
observarse la cámara propiamente y en su interior la lámina que se desplaza en su interior
haciendo las veces de pistón. En este caso, el aire se mueve dentro de la cámara por el
espacio libre entre la lámina y las paredes de la cámara.
Instrumento de inducción
Los instrumentos de inducción, en su configuración más sencilla, constan de un
electroimán en forma de “O” con una pequeña ranura, la cual constituye el entrehierro
dentro del cual se coloca un disco móvil de aluminio. Este disco se encuentra vinculado
a un eje sobre el cual puede rotar.
Al circular una corriente alterna por la bobina del electroimán se crea un campo
magnético variable que, al cortar al disco de aluminio inducen en él corrientes de
Foucault que, a su vez, crean otro campo magnético variable opuesto al que le diera
origen. Como resultado, la oposición de los campos magnéticos produce la rotación del
disco de aluminio.
Como en el caso de los instrumentos antes descriptos, este movimiento de rotación
puede ser aprovechado para producir el desplazamiento de una aguja e incorporar
alguno de los sistemas de amortiguamiento mencionados.
Una de las aplicaciones más generalizadas de este tipo de instrumentos es su aplicación
como medidor de energía eléctrica utilizado tanto en uso domiciliario cómo industrial.
En estos casos los instrumentos presentan una serie de modificaciones con respecto a la
expuesta anteriormente.
En los medidores de inducción monofásicos hay dos electroimanes: uno en derivación y
otro en serie, cada uno generando campos magnéticos relacionados con el voltaje y la
corriente. El electroimán en derivación está asociado con el voltaje de la red, y el
electroimán en serie, con la corriente de carga. Los dos campos magnéticos interactúan
para mover un disco de aluminio, que rota en proporción a la energía consumida. Este
movimiento de rotación es aprovechado por contadores mecánicos que registran la
energía consumida por la/s carga/s conectada/s al instrumento.
En estos instrumentos se incorporan bandas de cobre que ayudan a ajustar el flujo
magnético que pasa por el núcleo del electroimán de derivación. En algunos medidores,
el flujo producido por el electroimán en derivación (asociado al voltaje) no está en fase
con el flujo magnético producido por la corriente de carga. En estos casos las bandas
permiten ajustar el desfase y así asegurar que los dos flujos interactúen correctamente,
creando un par motor adecuado en el disco móvil.
Siendo que aún no se han abordados temas relacionados a la medición de energía
eléctrica, el principio de funcionamiento de este instrumento será ampliado en apartados
posteriores.
Instrumento de láminas vibrantes
Este instrumento es utilizado en la medición de frecuencia eléctrica, por tal motivo, es
conocido como frecuencímetro de lengüetas. Estos instrumentos se caracterizan por su
diseño simple y su capacidad de ofrecer una lectura directa.
Su principio de funcionamiento se basa en la resonancia mecánica de una serie de
lengüetas metálicas ajustadas a diferentes frecuencias específicas. Cuando se aplica una
señal eléctrica de corriente alterna al dispositivo, la lengüeta cuya frecuencia de
resonancia coincida, o se aproxime, con la frecuencia de la señal comenzará a vibrar. A
su vez, las lengüetas vecinas también vibraran, pero con una intensidad menor. Des esta
forma, podemos encontrar situaciones donde, según la frecuencia que se este midiendo,
la lectura será directa o aproximada en función de la forma en la que se produzcan estas
vibraciones.
De lo dicho puede deducirse que este tipo de instrumentos solo puede utilizarse a
frecuencias bajas y con un pobre nivel de exactitud.
Instrumentos digitales
Los instrumentos de medida digitales se caracterizan por mostrar los valores de medida
por medio de cifras numéricas a través de un display. Esto permite evitar errores a la hora
de realizar la lectura del instrumento tales como errores de paralaje o de aproximación
al intentar leer posiciones de la aguja indicadora cuando esta se halla entre dos marcas
de una escala.
Siendo que los parámetros a medir se presentan de forma analógica, los instrumentos
digitales realizan una serie “pasos intermedios” desde que se toma la medida de forma
analógica, hasta que esta es mostrada por el display por medio de su equivalente digital.
Esta serie de pasos puede resumirse en cuatro etapas: acondicionamiento, conversión
analógica-digital (ADC), lógica y, conteo y muestra del valor de medida.
En la etapa de acondicionamiento, la señal de entrada es preajustada a niveles de tensión
de corriente continua que se encuentren dentro del rango del conversor analógicodigital. En la siguiente etapa, el conversor ADC toma la señal pre acondicionada y la
convierte en una señal digital. Para esto se realiza un muestreo de la señal según una
base de tiempo, por cada muestreo se cuantifica a la señal en valores discretos para
luego ser codificados, generalmente en forma binaria. De lo dicho, se entiende que la
sensibilidad, rango y número de dígitos (o cuentas) del instrumento quedan
determinados por estas etapas.
La información generada por el conversor ADC, al llegar a la etapa lógica es procesada
de acuerdo a las funciones programadas en la misma para finalmente mostrar el valor
numérico del resultado de medida en el display del instrumento.
Los instrumentos de medida digitales presentan generalmente una impedancia de
entrada considerablemente alta en comparación con los instrumentos analógicos. Por
ende, al conectarse a un circuito o sistema, el instrumento digital prácticamente no afecta
la corriente del mismo, lo que resulta muy importante para no alterar el comportamiento
de la señal a medir. La alta impedancia de entrada es posible gracias a componentes
activos como los amplificadores operacionales, que permiten minimizar el consumo de
corriente de la señal que ingresa al instrumento en la etapa de acondicionamiento de la
señal.
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