Instrumentos y aparatos de medida: Medida deintensidad, tensión y resistencia

Con un medimos la intensidad de corriente, con un voltímetro

medimos la en bornes de un componente y con un óhmetro medimos la

de un componente eléctrico o electrónico.

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Podemos decir que en electricidad y electrónica las medidas que con mayor frecuencia se hacenson de intensidad, tensión y resistencia. A lo largo de este tema vamos a ver como se utilizanel amperímetro, el voltímetro y el óhmetro, aunque hoy en día debido a su versatilidadutilizamos habitualmente el polímetro que como su nombre indica un mismo aparato podráfuncionar como cualquiera de los anteriores e incluso incorporarán otras funciones.

Imagen1: Polimetro digital.Fuente: Banco de imagenes del ITE.

Licencia Creative Commons.

En la siguiente dirección puedes encontrar referencias a aparatos de medida y suscaracterísticas:

Multímetro

Rellena los huecos en blanco:

1. Medida de intensidad

Para el buen funcionamiento de cualquier circuito eléctrico o electrónico es necesarioconocer la electricidad que circula por el mismo. El aparato que vamos a utilizar será elamperímetro.

Diremos por tanto que un amperímetro es el aparato destinado a medir la intensidad decorriente que circula por un circuito eléctrico.

El amperímetro depende de la escala utilizada, así pues nos encontraremos con:

Amperímetros magnetoeléctricos: estos aparatos tienen una bobina móvil que estáfabricada con un hilo muy fino y las espiras, por donde va a circular la corriente quequeremos medir, tienen un tamaño muy reducido. Por lo tanto, podemos decir que laintensidad de corriente, que va a poder medir un amperímetro cuyo sistema de medida seamagnetoeléctrico, va a estar condicionada por las características físicas de los elementosque componen dicho aparato. Mediremos valores de aproximadamente 100 miliamperios.Se utiliza principalmente en corriente continua.

Amperímetro electromagnético: están constituidos por una bobina que tiene pocasespiras pero de gran sección. El intervalo de valores que abarca este tipo de amperímetrosva desde los 0,5 A a los 300 A. Se puede medir con ellos tanto la corriente continua comola alterna. Siendo solo válidas las medidas de corriente alterna para frecuencias inferiores a500 Hz.

Amperímetro electrodinámico: están constituidos por una bobina fija y otra móvil. Elrango de valores varía entre 0,5 A y 100 A.

Amperímetro electrotérmico: este tipo de amperímetro actualmente está en desuso.

El amperímetro se conecta en serie con el elemento a medir, si medimos corriente continuadeberemos tener la precaución de conectar teniendo en cuenta la polaridad, por el polopositivo entrará la corriente y por el negativo saldrá. Este problema con los amperímetrosdigitales no lo tenemos, nos dará el valor indicándonos el signo negativo en el caso dehaberlo colocado con la polaridad cambiada.

El esquema de conexionado sería el siguiente, en este caso estaríamos midiendo la corrienteque circula por la resistencia R1.

Imagen 2: Conexión de un amperímetro.

Fuente: Elaboración propia.

El amperímetro tiene que tener una bobina interna del menor valor posible, teóricamentenula, de lo contrario estaremos introduciendo un error en la medida.

Cuando queremos medir intensidades mayores que el rango de medida de nuestroamperímetro debemos recurrir a diferentes técnicas que estudiaremos a continuación. Lodenominaremos ampliación de escala.

Recuerda que un amperímetro siempre se tiene que conectar en serie con el circuito. Silo colocamos en paralelo, y debido a su baja resistencia, estaremos haciendo uncortocircuito con lo que podremos dañar el circuito o el propio amperímetro.

1.1. Ampliación de escala mediante resistencia enparalelo

El método de la resistencia en paralelo consiste en colocar una resistencia de alta precisión devalor muy pequeño que colocaremos en paralelo con el amperímetro, con esto lo queconseguiremos será que casi toda la corriente se desvíe por esta resistencia y sólo unapequeña parte por el amperímetro. Tal y como puedes ver en la siguiente figura.

Imagen 3: Ampliación de escala con resistencia en paralelo.Fuente: Elaboración propia.

Donde:

I: intensidad que atraviesa el circuito. R: resistencia del circuito.Ia: intensidad que atraviesa el amperímetro. Ra: resistencia del amperímetro.Is: intensidad que pasa por la resistencia en paralelo. Rs: resistencia en paralelo.

Observando el circuito puedes ver que:

I=Ia + Is

Ia*Ra = Is*Rs

Operando con estas dos ecuaciones llegamos a que:

Un amperímetro tiene una resistencia interna de 5Ω, la corriente necesaria para que sedesvíe toda la escala es de 15 mA. ¿Qué valor tiene que tener la resistencia quetenemos que colocar en paralelo para incrementar su escala hasta 50 A?

1.2. Ampliación de escala mediante transformadorde intensidad

Se utiliza para medir intensidades elevadas y alternas. El primario del transformador esrecorrido por la intensidad a medir y en el secundario se conecta el amperímetro. Como yasabes la relación existente entre la intensidad del primario (I1) y la del secundario (I2)viene dada por la siguiente expresión:

Lo que conseguimos con el transformador es reducir la corriente que circula por elsecundario pero siempre proporcional a la que circula por el primario.

Como ya sabes, en la placa de características de cualquier máquina eléctrica figuran losvalores nominales de la misma. Constructivamente los transformadores de intensidad sefabrican de modo que la intensidad que circula por el secundario para la mayoría de lasaplicaciones sea de 5A. Además los transformadores se suelen fabricar con las siguientesintensidades primarias: 5 A, 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, 30 A, 40 A, 50 A, 60 A, 75 A, 100 A,125 A, 150 A, 200 A, 250 A, 300 A, 400 A , 500 A, 600 A, 750 A, 800 A, 1000 A, 1200 A,1500 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A y 5000 A.

El esquema será el siguiente:

Imagen 4: Ampliación de escala mediante transformador de intensidad.

Fuente: Elaboración propia.

2. Medida de tensión

Al igual que la intensidad es muy importante saber el valor en bornes de cualquiercomponente para el buen funcionamiento del circuito. El aparato que vamos a utilizar es elvoltímetro.

Nos encontramos con la siguiente clasificación atendiendo a su rango de medidas:

Magnetoeléctricos: desde 10 mV hasta 1.000 V.Electromagnéticos: desde 5 V hasta 1.000 V.Electrodinámicos: desde 5V hasta 1.000 V.Electrostaticos: desde 1V hasta 1.000 KV.

El voltímetro se conecta en paralelo con el elemento a medir, en el caso de medir tensionesen circuitos de corriente continua deberemos tener en cuenta la polaridad de forma que elpolo positivo del voltímetro se conecte al punto de mayor potencial. Los voltímetros digitalesindican valores negativos en caso de conectar la polaridad cambiada.

En el siguiente esquema puedes observar cómo se coloca el voltímetro, en este caso enconcreto el aparato nos estaría midiendo la caída de tensión en la resistencia R1.

Imagen 5: Conexión de un voltímetro.

Fuente: Elaboración propia.

En un voltímetro ideal la resistencia interna debería ser infinita para que no existieraderivación de corriente por el mismo, como eso es imposible se construyen voltímetros conresistencias internas superiores a varios cientos de miles de ohmios. A pesar de que estaresistencia es muy elevada introduce un pequeño error en la medida.

Al igual que ocurría con el amperímetro, en ocasiones, la tensión a medir se sale de losrangos de medida por lo que tendremos que recurrir a diferentes técnicas que nos permitanampliar la escala.

Recuerda que un voltímetro siempre se tiene que conectar en paralelo con el elementosobre el que queremos medir la caída de tensión. Si lo conectamos en serie, y debido alalto valor de su resistencia interna, el paso de corriente quedará interrumpido.

2.1. Ampliación de escala mediante resistencia

Este método consiste en conectar con el voltímetro una resistencia en serie. Esta formade medir la utilizaremos en circuitos de corriente continua de tensiones relativamentebajas, nunca superiores a los 1000 V.

La resistencia va a ser de un valor muy elevado de forma que la mayor caída de tensión ocurraen esa resistencia y una cantidad mucho menor lo haga en el voltímetro.

Imagen 6: Resistencia en serie con voltímetro.

Fuente: Elaboración propia.

Donde:

Iv: intensidad que circula por el voltímetro. V: Tensión de alimentación Rv: Resistencia voltimétrica. Vv: Tensión voltimétrica. Ra: Resistencia adicional. Va: Tensión en la resistencia adicional.

No te será difícil llegar a los siguientes razonamientos:

Y según la Ley de Ohm tenemos que:

Dividiendo estas dos ecuaciones entre ellas llegamos a que:

Que junto con la primera ecuación llegamos a que:

Un voltímetro tiene una resistencia interna de 100 kΩ y su alcance es de 0 a 50 V, ¿quéresistencia tendremos que colocar para aumentar el rango hasta los 200 V?

2.2. Ampliación de escala mediante transformadorde tensión

Para realizar este tipo de ampliación lo que tenemos que hacer es conectar lostransformadores de tensión en paralelo, tal y como puedes ver en la figura. La relación detransformación va a ser la relación entre la tensión del primario y del secundario que a suvez también estará relacionado con el número de espiras de modo que:

Imagen 7: Ampliación de escala de un voltímetro.

Fuente: Elaboración propia.

En la placa de características del transformador siempre van a figurar las tensionesnominales del primario y del secundario. En los transformadores la tensión nominal delsecundario está normalizada en 110 V mientras que los del secundario lo están en 110, 220,380, 440, 2200, 3300, 5500, 6600, 11000, 13200, 16500, 22000, 27500, 33000, 44000,55000, 66000, 110000, 132000, 220000 y 396000.

Conociendo estos parámetros es fácil calcular el valor de las tensiones a medir.

3. Medida de resistencia

En los circuitos electrónicos en los que abundan resistencias de diversos valores se hacenecesario saber el valor de las mismas para que el circuito funcione de forma correcta. Sinembargo en electrotecnia no es habitual calcular el valor de las resistencias salvo en casosmuy concretos como pueden ser las líneas de distribución o el bobinado de diferentesmáquinas.

El aparato que vamos a utilizar es el óhmetro, habitualmente consta de un aparato demedida magnetoeléctrico conectado en serie con una batería de tensión constante y unaresistencia variable y por supuesto de dos conectores.

A la hora de utilizar un óhmetro tenemos que tener en cuenta las siguientesconsideraciones:

No deben emplearse nunca en circuitos bajo tensión.Las resistencias a medir que formen parte del circuito deben desconectarse, podrían dar

lugar a medidas incorrectas.La tensión propia del aparato podría causar daños a los diferentes componentes del

circuito.Las conexiones no se deben tocar con las manos debido a que alteraríamos la resistencia

a medir, nuestra resistencia quedaría en paralelo con la resistencia que se pretende medir.El aparato tiene que estar calibrado. Para ello las puntas de prueba deben ponerse en

contacto, lo cual significa poner un cortocircuito entre los terminales del aparato, estoimplica que la resistencia conectada externamente al óhmetro es nula en estas condiciones,y por lo tanto la aguja debe marcar cero ohmios.

Imagen 8: Ohmetro.

Fuente: Banco de imágenes del Ite.

Licencia Creative Commons.

3.1. Lectura directa

Es el método más rápido y más sencillo de todos, consiste en utilizar el ohmímetro, como sunombre indica, de forma directa. Una vez puesto a cero, tal y como se explicó anteriormente,se procede a realizar la medición.

El instrumento está compuesto por una batería (con resistencia interna) y una resistenciavariable, el circuito podría ser como el de la figura.

Imagen 9: Esquema de un ohmetro.

Fuente: Elaboración propia.

Si cerramos el interruptor J la resistencia de carga Rc queda en cortocircuito por lo tanto nosquedará la resistencia interna del instrumento Ri y la resistencia variable, llegaremos a que:

Ahora suponemos que abrimos el interruptor, tenemos que:

Realizando el cociente entre ambas expresiones llegamos a que:

La medida de las intensidades se traduce en dos diferentes indicaciones sobre la escala delaparato. Ro va a ser una resistencia variable que permitirá el ajuste a cero.

Utilizando el método de la lectura directa podemos también determinar la continuidad de unconductor y poder determinar si está cortado o no. En el caso de estar cortado nos indicaráuna resistencia de infinito, en caso contrario nos indicará un valor de cero. En algunosóhmetros digitales si existe continuidad el aparato emite un pitido.

3.2. Medida indirecta con voltímetro y amperímetro

Como ya sabes, la tensión, la resistencia y la intensidad están relacionadas entre simediante la Ley de Ohm, entonces sabiendo los valores de tensión e intensidad que circulapor un componente obtendremos el valor de la resistencia. Podremos realizar dos tipos demontaje para calcular el valor de la resistencia.

Montaje largo:

El esquema es el que puedes ver en la figura. El cálculo no nos da el valor exacto de laresistencia de carga, sino la suma de la resistencia interna del amperímetro mas laresistencia que queremos medir, por lo tanto este montaje lo utilizaremos cuando laresistencia que queremos medir es mucho mayor que la interna del amperímetro.

Imagen 10: Montaje largo.

Fuente: Elaboración propia.

Montaje corto:

El esquema es el de la figura. En este caso el cálculo obtenido tampoco coincide con el valorexacto de la resistencia de carga, sino la obtenida de la asociación en paralelo de laresistencia de carga y la del voltímetro, por lo tanto este montaje lo utilizaremos para medirresistencias de pequeño valor.

Imagen 11: Montaje corto.

Fuente: Elaboración propia.

Tanto en un montaje como en el otro tenemos el problema del calentamiento que se producepor la acción de la corriente al circular por la resistencia, por ese motivo el tiempo quetardemos en realizar la medida tiene que ser muy pequeño para evitar el error por estemotivo.

3.3. Medida por comparación de tensiones

Este método está basado en la comparación de la caída de tensión en dos resistenciasque están conectadas en serie cuando por ellas circula la misma corriente. Se utilizapara valores bajos de resistencia, de lo contrario los errores falsearían la medida.

Tenemos una resistencia patrón Rp de valor conocido y una resistencia de carga Rc de la quedeseamos saber su valor, para ello realizamos el montaje de la figura donde tenemos unamperímetro conectado en el circuito y un voltímetro que podemos desplazar entre dos puntospara medir las caídas de tensión en cada una de las resistencias. El esquema del montaje seríael siguiente:

Imagen 12: Medida por comparación de tensiones.Fuente: Elaboración propia.

Al conectar el voltímetro en la posición (1) obtendremos la caída de tensión que se produceen nuestra resistencia patrón de valor conocido.

Al conectar en la posición (2) obtenemos que:

Operando con ambas expresiones obtenemos que:

Al medir una resistencia por el método de la comparación de tensiones vemos que sutensión es de 20 V. Si cuando está conectada a una resistencia calibrada de 12Ω el valorde su tensión es de 20,5 V, ¿cuál es el valor de la resistencia de carga?

3.4. Medida por comparación de intensidades

Este método consiste en comparar las intensidades que circulan por la resistencia decarga y la resistencia patrón, al igual que antes es necesario conocer el valor exacto deesa resistencia patrón. También tenemos que tener en cuenta la resistencia interna delinstrumento, en este caso la denominaremos Ra.

El esquema del montaje es el que se presenta a continuación:

Imagen 13: Comparación de intensidades.

Fuente: Elaboración propia.

Dependiendo de la posición del conmutador vamos a tener las siguientes ecuaciones:

Igualando ambas expresiones y operando llegamos a que:

Este método lo utilizaremos para valores de tensión elevados.

Al utilizar el método de la medición de resistencias por comparación de intensidades observamos que la intensidad que circula por la resistencia de carga es de 0,6 A y através de la resistencia patron de 7000 Ω circula una corriente de 0,58 A. ¿Cuál será elvalor de la resistencia de carga?

4. El polímetro

Si recuerdas. empezábamos el tema diciendo que existían diferentes aparatos para efectuarmedidas eléctricas pero que sin embargo hoy en día y debido a su versatilidad, se empleabanlos denominados polímetros que engloban todos los aparatos de medida estudiados en estetema, e incluso los más modernos, otra serie de aplicaciones.

Estos aparatos pueden ser analógicos o digitales, siendo estos últimos los que actualmentese utilizan con más frecuencia. A continuación puedes ver la imagen de uno de ellos:

Imagen 14: Polímetro.

Fuente:Banco de Imagenes del ITE.

Licencia Creative Commons.

Algunas normas básicas para la utilización de los polímetros serian las siguientes:

Mantener en buen estado el aparato.Seguir las instrucciones del fabricante en cuanto al uso y mantenimiento.Asegurarse si vamos a medir corrientes alternas o continuas.Empezar a medir por la escala más alta e ir bajando gradualmente hasta conseguir una

medida exacta.Previo a cualquier medida ajustar a cero el aparato.Conectar correctamente el aparato.