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1. Medidas de las magnitudes eléctricas

Con las medidas eléctricas podemos analizar si una instalación funciona correctamente y, en caso de avería nos facilitan la tarea de localización y reparación.

El buen funcionamiento de un organismo, una máquina, etc., depende en gran medida del funcionamiento combinado de los distintos elementos que lo constituyen. Si uno de estos no realiza correctamente su función, desencadena el mal funcionamiento de todo el sistema.

En principio, las anomalías se intuyen, pero para poder demostrarlas es necesaria la comprobación de algunas magnitudes características para compararlas con las que se dan en el sistema cuando el funcionamiento es el adecuado.

En las instalaciones eléctricas, también es necesario evaluar o medir algunos parámetros o magnitudes del circuito eléctrico, en especial los estudiados en la Unidad 3, como son la intensidad de corriente, la tensión eléctrica, la resistencia eléctrica, la potencia eléctrica o la energía eléctrica. Estas magnitudes nos van a indicar el buen funcionamiento de la instalación o posibles problemas.

En lo que se refiere a la seguridad de los elementos que constituyen la instalación y de las personas que la utilizan, han de conocerse otros parámetros importantes, como pueden ser la resistencia de tierra, la resistencia de aislamiento, la sensibilidad de los aparatos de protección, los tiempos de disparo, etc.

En esta unidad vamos a hacer un recorrido por la realización de las distintas medidas, así como por los aspectos más importantes a tener en cuenta para su valoración. Se hará de una forma exclusivamente práctica, obviando los aspectos correspondientes a la constitución interna de los aparatos de medida, ya que estos se estudiarán en el módulo de Electrotecnia.

El estudio y realización de las medidas de otros parámetros importantes para la instalación se abordará en la unidad correspondiente, ya que se necesitan otros conocimientos previos para su correcta comprensión.

A. Concepto de medida

Medir es comparar una medida determinada con otra que tomamos como unidad.

De acuerdo con la anterior definición, es necesario que las unidades de referencia sean aceptadas de forma general por la comunidad científica internacional.

A principios del siglo XX, estos patrones de medidas se fueron unificando por la Comisión Internacional de Pesas y Medidas, que estructuró el Sistema Internacional de Medidas, más conocido como Sistema GIORGI.

En la Tabla 5.1 se recogen las magnitudes más importantes que podemos encontrar en un circuito eléctrico.

En el campo de las medidas eléctricas, hay que distinguir dos tipos de medidas: medidas de tipo industrial y medidas de laboratorio.

1. Localiza y escribe en tu cuaderno los múltiplos y submúltiplos de las unidades de medida en forma general; las puedes localizar en Internet.

Tabla 5.1. Magnitudes eléctricas del Sistema Internacional.

B. Cualidades de los aparatos de medida

Un aparato de medida es más preciso cuanto mayor sea su sensibilidad y su fidelidad.

Podemos decir que un aparato de medida será mejor o peor atendiendo a las siguientes cualidades:

C. Errores en la medida

Al realizar medidas, los resultados obtenidos pueden verse afectados. El resultado lleva implícito la posibilidad de errar en la lectura, por lo que es necesario conocer con profundidad cómo se cometen los errores para poderlos prever y minimizar. De esta manera, seremos nosotros los que valoremos la veracidad de la medida realizada. Los errores en medidas eléctricas se pueden clasificar en sistemáticos y accidentales:

a) Error sistemático es el originado por las características del aparato o de la actitud del observador. Entre los más frecuentes se pueden destacar los siguientes:

b) Accidentales: se producen de una forma aleatoria. No se pueden clasificar dada su gran variedad pero no son de gran importancia en las medidas eléctricas.

Cada vez que realicemos una medida, debemos evitar desconfiar del valor obtenido, pero también razonar si el resultado está en relación con el valor que preveíamos o no se corresponde con este. En caso de que exista una gran diferencia, hemos de pensar que algo raro ocurre y hacer las comprobaciones necesarias.

Entre todos los errores que se pueden cometer al realizar una medida se encuentran los causados por el operario que la realiza. Se suelen cometer con frecuencia, pero son fáciles de eliminar siendo metódicos. Los más frecuentes son:

Estos errores no se suelen dar en los aparatos digitales.

Clases de precisión

Por otro lado, es conveniente conocer la calidad y precisión de los aparatos de medida, de ahí que estudiemos los siguientes conceptos:

Error absoluto: es la diferencia entre el valor obtenido y el valor real. Como se ha dicho en párrafos anteriores, es difícil conocer el valor real, por lo que podemos tomar como valor real el obtenido con un aparato de precisión o bien tomar como valor real la media de varias medidas.

ea = valor leído – valor real

Este error nos indica cuánto nos hemos equivocado, pero no nos dice nada sobre la calidad de la medida y del aparato con la que se realiza. Se pueden obtener errores tanto positivos como negativos. En el primer caso, se entiende que el aparato mide por exceso y en el segundo se entiende que lo hace por defecto.

Error relativo: es el resultado de multiplicar por 100 el cociente que resulta de dividir el error absoluto por el valor real. El error relativo se expresa en porcentaje.

Este error nos da más información sobre la medida, ya que se refiere al error cometido por unidad de medida. Un aparato se puede considerar bueno cuando da un error relativo por debajo del 2%.

Se realiza la medida de intensidad de corriente de un circuito con un amperímetro a prueba y un amperímetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

Amperímetro a prueba: 4,1 A.

Amperímetro patrón: 4 A.

Se pide: calcular los errores absoluto y relativo.

Solución:

ea = valor leído – valor real = 4,1 – 4 = 0,1

a) Se realiza la medida de tensión de un circuito con un voltímetro a prueba y un voltímetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

Voltímetro a prueba: 130 V.

Voltímetro patrón: 135 V.

Se pide: calcular los errores absoluto y relativo.

Solución:

ea = valor leído – valor real = 130 – 135 = –5


b) Se realiza la medida de resistencia de un circuito con un óhmetro a prueba y un óhmetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

Óhmetro a prueba: 540 Ω.

Óhmetro patrón: 530 Ω.

Se pide: calcular los errores absoluto y relativo.

Solución:

ea = valor leído – valor real = 540 – 530 = 10

Clase de precisión: cuando tomamos el error absoluto máximo, lo relacionamos con el valor de final de la escala de medida y lo expresamos en porcentaje, obtenemos un número que define la categoría o clase del aparato, esto es, su grado de precisión. En la Tabla 5.2 se dan las aplicaciones de los aparatos en función de su clase.

Clase de un aparato y su aplicación

Clase 0,1 y 0,2

Instrumentos de gran precisión para investigación

Clase 0,5

Instrumentos de precisión para laboratorio

Clase 1

Instrumentos de medidas portátiles de corriente continua

Clase 1,5

Instrumentos de cuadros y portátiles de corriente alterna

Clase 2,5 y 5

Instrumentos de cuadros

Tabla 5.2. Clase de los aparatos de medidas y su aplicación.

 

Se realiza una serie de medidas con un amperímetro a prueba y un amperímetro patrón. Se obtienen las siguientes lecturas:

1.°2.°3.°4.°

Amperímetro a prueba

1,5

2,5

4

7

Amperímetro patrón

1,6

2

3,8

6,7

Lecturas obtenidas en la medición.

El amperímetro a prueba tiene una escala de medidas que va desde 0 hasta 10 A.

Se pide: calcular la clase (precisión) del amperímetro.
Solución:

ea1 = valor leído – valor real = 1,5 – 1,6 = –0,1

ea2 = valor leído – valor real = 2,5 – 2 = 0,5

ea3 = valor leído – valor real = 4 – 3,8 = 0,2

ea4 = valor leído – valor real = 7 – 6,7 = 0,3

El error absoluto máximo es 0,5.

Por lo tanto, el aparato es de clase 5 (instrumento de cuadro).

D. Escalas, campos de medida, campo de lecturas y constante de medida

Vamos a describir una serie de conceptos importantes para la toma de medidas eléctricas.

Escalas

La escala es la zona graduada de la pantalla del aparato de medida. Sobre esta se desplaza el índice para indicarnos el valor de la medida.

Debido a la constitución interna del aparato, obtenemos distintas distribuciones en las divisiones de la escala, tal y como se puede ver en la Tabla 5.3. Pueden ser:

Tabla 5.3. Divisiones de la escala.

Campo de medida

El campo de medida, también llamado capacidad o calibre del aparato, es la máxima medida que se puede realizar con un determinado aparato.

Los aparatos de medida pueden llevar diferentes campos para una misma magnitud, según las condiciones de conexión, tal y como se puede apreciar en la Figura 5.1.

Fig. 5.1. Ejemplo de aparato de medida con diferentes campos de medidas. Voltímetro.

Como observamos en la Figura 5.1, podemos ampliar el campo de medida de tensión cambiando tan solo las bornas de conexión del aparato y conectándolo entre 0 y 150 V, o bien entre 0 y 300 V.

Campo de lectura

Cuando realicemos medidas con aparatos analógicos, es conveniente utilizar calibres adecuados para que el fiel se estabilice más o menos centrado en la escala. Así será más fácil apreciar la medida.

Como se puede apreciar en la Figura 5.1, existe una zona de la escala en la que no existen divisiones. Esto indica que ese aparato no realiza la medida con precisión en esa zona, con lo que el campo de medidas fiables es el correspondiente a la zona marcada con divisiones. Es el llamado campo de lectura.

Constante de medida

Las escalas no suelen tener una división por cada unidad de la magnitud que se está midiendo. Por ello, en la mayoría de los casos, cada división representa varias unidades de medida, de manera que para obtener el valor real es necesario multiplicar el número de divisiones por la constante correspondiente. Dicha constante va a depender del tipo de escala, como vemos a continuación:

Escalas uniformemente graduadas: en el amperímetro de la Figura 5.2 tenemos tres constantes de medida, ya que el aparato tiene tres alcances con las mismas divisiones, que se obtienen de la forma siguiente:

Fig. 5.2. Amperímetro con tres alcances de medidas.

Donde:

KI

Constante de medida

VM

Valor máximo actual

Nt

Número total de divisiones

Escalas que precisan acotación: en aquellos aparatos en los que el campo de lectura no se corresponde con el campo de medidas, se recurre a precisar el tramo de lectura del mismo. Así, en el caso del voltímetro de la Figura 5.1, hemos de recurrir a acotar el número de divisiones entre un valor máximo y el valor mínimo, y contar el número de divisiones en ese tramo. Para una mejor comprensión, realizamos a continuación un ejemplo con el voltímetro de la Figura 5.1 para la escala de 150 V.

Lo primero sería elegir un tramo de la escala. Para este caso elegimos como valor mayor 120 V y como valor menor 90 V. Se aprecia que en ese tramo hay seis divisiones. Aplicando la expresión:

Un display es un dispositivo presente en ciertos aparatos electrónicos, como los teléfonos y las calculadoras, donde se representa de forma visual la información.

Donde:

KI

Constante de medida

VM

Valor máximo elegido

Vm

Valor mínimo elegido

n

Número de divisiones entre ambos

Cuando hablamos de escalas, campos de lecturas o constantes de medidas, hemos de entender que solo es de aplicación a los aparatos de medida analógicos, ya que los digitales presentan el valor directamente sobre la pantalla o display.