INDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA
a) Exactitud
b) Precisión
c) Sensibilidad
d) Limite de percepción
e) Dispersión
3. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS DE MEDIDAS DE LONGITUDES
3.1. Medidas directas
a) Metro
b) Regla
c) Calibrador o pie de rey
d) Micrómetro
3.2. Comparadores
3.3. Medidas indirectas
a) Distanciómetros electrónicos
b) Fotogrametría
c) GPS
4. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS DE MEDIDAS DE ÁNGULOS
4.1. Transportador simple
4.2. Goniómetro universal
5. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS DE MEDIDAS ELÉCTRICAS
5.1. Instrumentos de medidas eléctricas
– Voltímetro, amperímetro, ohmímetro, vatímetro, puente de Wehatstone, frecuencímetro y contador de energía
5.2. Procedimientos de medidas eléctricas
6. EL ERROR EN LA MEDIDA
6.1. Causas de los errores
6.2. Teoría de errores
1. INTRODUCCIÓN
Medir una magnitud es determinar cuantas veces contiene otra magnitud de la misma especie, que se toma como unidad; es decir, la medida es el resultado de comparar dos magnitudes semejantes. La ciencia que se ocupa de las medidas se denomina Metrología y tiene tantas ramas como especies de magnitudes hay. Así encontramos la metrología dimensional, metrología ponderal (que se ocupa de los pesos), metrología eléctrica, etc.
Cuando el hombre se planteó por primera vez la necesidad de medir, utilizó como unidades partes de su propio cuerpo, así aparecen el pie, la pulgada, etc. Pero en el siglo XVIII se plantea la necesidad de un patrón fijo de medida.
Así se toma como unidad de longitud la diezmillonesima parte del cuadrante del meridiano terrestre que pasa por el observatorio de París. Esta unidad se llamó metro y el primer prototipo se realiza en platino.
Al poco tiempo se realiza la primera revisión del concepto de metro siendo ahora considerado como la distancia que separa a 0ºC las dos superficies terminales de la barra de platino conservada en los archivos
La nueva definición de metro fue aceptada en 1960 por acuerdo internacional, estableciendo la definición: “el metro es la longitud igual a 1650763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 5p6 y el 5d10 del átomo de criptón 86”.
Para las medidas angulares se adopta la división sexagesimal de la circunferencia con el convenio
1 circunferencia = 360 grados (360º) ; 1 grado (1º) = 60 minutos (60’);
1 minuto = 60 segundos (60’’)
o, también, la división centesimal, con el convenio
1 circunferencia = 400 grados (400g) ; 1 grado (1g) = 100 minutos (100m)
1 minuto = 100 segundos (100s)
Finalmente, es de mucha utilidad en frecuentes problemas técnicos el radián como unidad natural de ángulo, definiéndosele como el ángulo que abarca entre sus lados un arco igual al radio de la circunferencia a que pertenece.
En la producción y consumo de energía eléctrica, se hace necesario medir las distintas magnitudes que intervienen en cualquier instalación o dispositivo eléctrico.
Para la medida de la intensidad de corriente eléctrica la unidad del sistema internacional es el amperio (A), para el potencial eléctrico el voltio (V ó W/A), para la potencia el vatio (W) y para la resistencia eléctrica el Ohmio (Ω ó V/A).
2. CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA
Los instrumentos de medida, son los aparatos que se emplean para realizar prácticamente la medida. La precisión y garantía de las mediciones realizadas con los instrumentos de medida, depende de sus características específicas.
a) Exactitud.- Viene medida por el error, siendo tanto mayor cuanto menor sea éste. Se denomina error de un instrumento de medida a la diferencia que existe entre la magnitud que indica la medida y el valor real.
E = I – R
b) Precisión.- Es la exactitud en la lectura, se refiere a la mayor o menor facilidad con que se pueden recoger los valores en la escala del instrumento. Está condicionada por la confección de la escala y dependerá de los factores que afecten a ésta: distancia entre trazos, nitidez de los mismos, medios ópticos para su aumento, etc.
c) Sensibilidad.- Es el cociente de la variación en la indicación a la variación de la magnitud. En general depende de varios factores, según el aparato de que se trate.
d) Límite de percepción (apreciación).- Es la mínima variación en la magnitud registrada por el aparato.
e) Dispersión.– Reciben el nombre de dispersión las diferencias mayores entre los valores resultantes de una misma medición realizada por un mismo observador. Cuanto menor sea, mejor es la calidad del instrumento o del proceso de medición en general.
3. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS PARA LA MEDIDA DE LONGITUDES
3.1.Medida directa de longitudes
Se trata de compararla directamente con la unidad de longitud. Son instrumentos que sirven para determinar la distancia entre dos caras o superficies planas, dos puntos definidos, dos aristas de una pieza, etc.
Los más utilizados son: metros, reglas graduadas, calibres pie de rey y micrómetros.
A). Metros
Son instrumentos formados por reglas flexibles o rígidas graduadas en centímetros o milímetros, construidos en madera, acero, latón o duraluminio. Son aparatos de poca precisión.
Según la forma como están construidos se clasifican en:
–Plegables: Se fabrican en madera, latón, acero o duraluminio. Están graduados en centímetros y milímetros, generalmente se pliegan de decímetro en decímetro, mediante una articulación. Sólo sirven para tomar una dimensión aproximada, ya que sus articulaciones toman juego y es difícil ponerlos del todo rectos.
–Flexibles: Son cintas de acero flexible graduadas en centímetros y generalmente en milímetros en sus diez primeros cm., de uno a tres metros de longitud. En su origen suelen llevar un gancho para que el acero coincida con las aristas de las piezas y así, poder hacer coincidir el cero con las aristas de las piezas. Para facilitar su manejo y conservación van arrolladas en unas cajitas metálicas o de plástico.
B). Reglas graduadas
Es una barra de acero de sección rectangular de 20 a 50 cm. de longitud. Está graduada en milímetros y medios milímetros. Se utilizan para trabajos de trazado y medición. Suelen usarse complementadas con una escuadra.
Existen varios tipos de reglas; hay unas reglas llamadas reglas de tacón, que llevan adosada una pieza saliente en la parte que tiene la graduación cero. Esta parte saliente o tacón reemplaza a la escuadra y facilita el empleo de la regla.
Para realizar medidas con reglas graduadas, éstas se colocarán paralelas a la línea cuya medida se trata de conocer.
C). Calibrador o pie de rey
Es uno de los aparatos indispensables en todo taller, ya que con él podemos realizar medidas interiores, exteriores y profundidades de mediana y pequeña precisión.
Constan, fundamentalmente, de una regla fija dividida en milímetros y doblada en escuadra por un extremo, que constituye la boca fija, sobre la que se desliza otra móvil provista de una graduación distinta, también doblada en escuadra, denominada corredera o cursor, constituye la boca móvil. También suelen llevar dos punzones o puntas interiores, que introducidos en el interior de una pieza de contorno cerrado, permite obtener sus medidas interiores.
La corredera puede inmovilizarse en cualquier punto de la regla mediante un tornillo de presión. Dicha corredera lleva una ventana con bordes biselados. El bisel inferior va provisto de una marca cero, que coincide con el cero de la regla cuando las bocas están a tope.
La graduación de la regla móvil constituye el nonius, sin el que el grado de precisión de una lectura hecha con calibre sería del orden de las medidas realizadas con reglas y metros, sin embargo el nonius permite mejorar la precisión de la medida. El valor de las divisiones del nonius depende de la precisión que se desee obtener.
Fundamentos del Nonius:
El nonius consta de dos reglas una fija y otra móvil, superpuestas, realizadas de modo que N divisiones de nonius (regla móvil), corresponden a n divisiones de la regla fija, si los valores de cada división, en una y otra escala, son d y D. Tendremos que: D . N = d . n
La precisión del nonius viene dada por la diferencia entre D y d, es decir:
A = D – d = D – n/N D
Generalmente N – n = 1, por lo tanto a = D/N
Los nonius más utilizados son los de 9 mm de longitud divididos en 10 partes (de apreciación 1/10 mm), los de 19 mm divididos en 20 partes (a= 1/20 mm) y los de 49 mm divididos en 50 partes (a= 1/50 mm).
En el nonius de a = 1/ 10 mm, la primera regla tiene una longitud de 10 mm. y la segunda de 9 mm. Al dividirlas en 10 partes iguales, una estará dividida en partes de 1 mm. y la otra en partes de 9/10 de mm.
Por lo tanto haciendo coincidir los ceros de ambas reglas, las distancias 1-1’, 2-2’, etc. Serán respectivamente iguales a 1/10, 1/20 … de mm.
Para realizar una medida tomaremos primero el número de divisiones de la regla fija y después vemos que la división de la regla móvil coincide con alguna de la regla fija. El número de esta división se multiplicará por la precisión y sumada a las divisiones de la regla fija nos dará el valor de la medida.
Existen diferentes tipos de calibres que sirven para medir distintas piezas o partes de piezas. Una variación importante es el calibre de profundidad o sonda compuesto de una corredera cuya parte inferior es plana y sirve de base de apoyo, tiene su nonio dividido en 20 ó 50 partes iguales, según la calidad del calibre sonda.
Para realizar una medida con el calibrador se opera según la clase de medición que se haga:
Para medir interiores, se abre el calibrador con una abertura menor que la pieza que se ha de medir introduciendo los apéndices entre las caras. Luego se continúa abriendo hasta que dichos apéndices se ponen en contacto con las caras interiores que medirán. Seguidamente se lleva a cabo la lectura y una vez hecha, se cierra para sacarlo.
Para medir exteriores, es el mismo procedimiento pero al contrario, es decir al principio la abertura debe ser mayor que la pieza, luego se va cerrando hasta que toque la pieza.
Para medida de profundidades, se apoya perpendicularmente el extremo de la regla fija. Seguidamente se abrirá el calibrador hasta que la varilla haga tope en el fondo. En ese momento se retira y se realiza la lectura.
D). Micrómetro
Es un aparato cuyo funcionamiento se base en el sistema tornillo-tuerca, si un tornillo montado en una tuerca fija se hace girar, el desplazamiento del tornillo en el sentido de su longitud es proporcional al giro de su cabeza. Si hacemos girar una vuelta a la cabeza del tornillo estando la tuerca fija, el extremo de éste se desplazará una longitud igual al paso del tornillo, P. Normalmente el paso de los tornillos de los micrómetros es de 0,5 mm.
Si dividimos la cabeza del tornillo en n partes, cada vez que giremos una división respecto a un punto fijo, el extremo del tornillo se desplazará una longitud a=P/n. El valor obtenido por cada división recibe el nombre de precisión del tornillo.
Existen diversos tipos de micrómetros según las piezas que se vayan a medir de interiores, de exteriores, de roscas, de profundidades y especiales. Pero todos ellos tienen el mismo fundamento.
El micrómetro de exteriores se compone de un soporte en forma de C, con dos topes, uno fijo y otro móvil. Este último se desplaza al girar el tambor.
Para realizar una medida, el micrómetro se abrirá de tal forma que los palpadores se separen un poco más que la magnitud de la pieza que se mide, en el caso de micrómetros exteriores. Situada la pieza entre los palpadores, se girará el tambor suavemente hasta que los palpadores entren en ligero contacto con la pieza. A continuación y para lograr un contacto perfecto se utilizará el tornillo de fricción, que es el que produce la presión suficiente para medir sin error. Una vez hecha la medida, se abre ligeramente el micrómetro y se retira la pieza.
Galgas patrón (Johansson)
Son piezas de acero templado y superficie perfectamente pulimentado y con error menor a la milésima de milímetro. Estas piezas casan perfectamente unas con otras por simple contacto, y combinando varias de ellas se puede conseguir una amplia gama de longitudes.
Las galgas patrón se utilizan como juegos o colecciones de un número determinado de galgas de dimensiones escalonadas en tal forma, que combinando un número muy reducido de ellas puede formarse cualquier medida comprendida entre sus límites de empleo, siendo la diferencia entra las combinaciones más próximas de 0,01, 0,005, ó 0,001 mm., según la composición del juego de que se dispone. Las mediciones deben hacerse a una temperatura de referencia (20ºC), para formar una combinación de galgas, éstas se unen por sus caras de medición haciéndola deslizar con un movimiento de vaivén, con una ligera presión para que no quede aire entre ellas. Una vez apiladas las galgas, la fuerza de adherencia es tal que la combinación puede manejarse como un conjunto rígido, no obstante, para proteger las galgas del contacto con las piezas que se miden, las combinaciones se utilizan montadas en soportes adecuados.
3.2. Comparadores
Son instrumentos que comparan las dimensiones de una pieza con los de otro patrón. Los valores obtenidos son diferencias de medida. El caso más representativo es el reloj comparador.
El reloj comparador está formado por una caja metálica atravesada por una varilla en cuyo extremo inferior se encuentra un palpador móvil, como elemento sensible, cuyo desplazamiento de traslación se transforma por un mecanismo complejo que constituye el equipo móvil en un desplazamiento angular de una aguja sobre una esfera graduada, que forman el dispositivo indicador. La esfera va graduada en unidades de longitud, correspondientes a los desplazamientos rectilíneos del palpador y es giratoria, lo cual facilita la puesta a cero de la aguja cualquiera que sea su posición.
Para realizar una medida se sitúa un patrón o pieza que materializa una longitud conocida sobre la mesa de medición o plano de referencia, se palpa el patrón con el tope móvil del comparador. Se efectúa la puesta a cero del comparador, girando la esfera hasta que el cero de la escala coincida con la aguja. Seguidamente se sitúa la pieza que se mide en el lugar del patrón. La aguja se desplazará una cantidad en el sentido horario o en el antihorario; la indicación es la diferencia en más o menos de lo que mide la pieza.
3.3. Medidas indirectas
Estos métodos de medida se basan en la obtención de una distancia a través de la medida de otra magnitud física que no sea ella. Los principales son: distanciómetros electrónicos, fotogrametría aérea y GPS (sistema global de posición).
A) Distanciómetros electrónicos
Son aparatos capaces de medir grandes distancias de decenas de kilómetros (que en algún caso superaron a la centena) efectuándose el trabajo con gran rapidez e increíble precisión, tanto más elevada cuanto mayor sea la distancia.
Todos los distanciómetros electrónicos obedecen al mismo principio, que consiste en emitir una radiación de longitud de onda y velocidad de propagación conocidas, esta radiación se refleja en el otro extremo de la línea que hay que medirse, donde hay un espejo, y es recogida de nuevo en el aparato emisor, donde por métodos electrónicos se determina el desfase entre la onda emitida y la recibida que evidentemente será proporcional al tiempo empleado en el recorrido y por consiguiente a la distancia.
El primer distanciómetro electrónico fue el Geodímetro de procedencia sueca, al que siguió el Telurómetro de patente inglesa, y a éste el Distomat DI-50, también suizo.
La onda que utiliza el Geodímetro es una luz modulada, por lo que preferentemente se trabaja con él de noche, el Telurómetro emplea micro-ondas de radio y el Distomat DI-50 rayos infrarrojos modulados permitiendo, los dos últimos, ser usados con niebla poco espesa e incluso ligera lluvia, aunque no sean visibles entre sí las estaciones de los extremos.
B) Sistema global de posición (GPS)
El sistema global de posición, conocido también como GPS, ha producido conmoción por trastocar conocimientos seculares de Topografía y Geodesia y también de navegación, su finalidad principal es dar coordenadas X,Y y Z, a un punto mediante la recepción de señales de cuatro satélites por los menos; Con las coordenadas de varios puntos se pueden calcular fácilmente distancias. Consta de 24 satélites que proporcionan posiciones precisas en tres dimensiones, velocidad y tiempo, las 24 horas del día, en cualquier parte del mundo y en todas las condiciones climáticas.
Dirigido por el departamento de Defensa de Estados Unidos, el sistema global de posición Navstar apareció en 1973 para reducir el aumento de problemas en la navegación. Como puede accederse a sus funciones de forma asequible con equipos pequeños y baratos, GPS ha fomentado muchas aplicaciones nuevas.
Los satélites GPS llevan relojes atómicos de alto grado de precisión. La información horaria se sitúa en los códigos de transmisión mediante los satélites, de forma que un receptor puede determinar en cada momento cuánto tiempo se transmite la señal. Esta señal contiene datos que el receptor utiliza para calcular la ubicación de los satélites y realizar los ajustes necesarios para precisar las posiciones. El receptor utiliza la diferencia de tiempo entre el tiempo de la recepción de la señal y el tiempo de transmisión para calcular la distancia hasta el satélite. El receptor tiene en cuenta los retrasos en la propagación de la señal debidos a la ionosfera y la troposfera. Con tres distancias a tres satélites y conociendo la ubicación del satélite desde donde se envió la señal, el receptor calcula su posición en tres dimensiones.
Sin embargo, para calcular directamente las distancias, el usuario debe tener un reloj atómico sincronizado con el sistema global de posición. Midiendo desde un satélite adicional se evita que el receptor necesite un reloj atómico. El receptor utiliza cuatro satélites para calcular la latitud, la longitud, la altitud y la información horaria.
El sistema global de posición tiene tres divisiones: espacio, control y usuario. La división espacio incluye los satélites y los cohetes Delta que lanzan los satélites desde Cabo Cañaveral en Florida, Estados Unidos. Los satélites GPS se desplazan en órbitas circulares a 17.440 km. de altitud, invirtiendo 12 horas en cada una de las órbitas. Éstas tienen una inclinación de 55 grados para asegurar la cobertura de las regiones polares. La energía la proporcionan células solares, por lo que los satélites se orientan continuamente dirigiendo los paneles solares hacia el Sol y las antenas hacia la Tierra. Cada satélite tiene cuatro relojes atómicos.
La división control incluye la estación de control principal, entre otras, en la base de las Fuerzas Aéreas Falcon, Colorado Springs, Estados Unidos, y otras estaciones de observación. Las divisiones de control utilizan las medidas recogidas en las estaciones de observación para predecir el comportamiento de las órbitas y relojes de cada satélite. Los datos de predicción se conectan a los satélites para transmitirlos a los usuarios. La división control también se asegura de que las órbitas de los satélites GPS permanezcan entre los límites y que los relojes no se alejen demasiado del comportamiento nominal.
Por último, para recibir los mensajes de los satélites se utiliza un receptor y una antena amplificadora. La antena se coloca en el punto que tratemos de posicionar (averiguar sus coordenadas) y el receptor generalmente en el suelo; la antena debe conectarse con el receptor.
Hay dos métodos operatorios el dinámico y el estático, el primero cuando el receptor se mueve, como en navegación. Cuando el receptor está fijo en tierra se sigue el método estático que puede ser absoluto o relativo llamado también diferencial único que se utiliza en Topografía y Geodesia; por el método absoluto se posiciona el punto directamente y el error es de + 10 m y por el método relativo o diferencial, el error es centimétrico.
Método relativo o diferencial.- Se necesitan dos receptores, situado uno en un punto de coordenadas conocidas, que pueden ser arbitrarias y el otro en el que se trate de posicionar; por este método no se determinan coordenadas absolutas, sino diferencias con las del punto fijo y tienen la propiedad de eliminar los errores procedentes de los satélites, porque al ser los mismos en los dos receptores se anulan en la diferencia.
En cada estación la antena transmite al receptor varios códigos y un mensaje que recibe de los satélites y que aquel archiva en su memoria de donde se toma los datos para operar automáticamente.
La precisión por este método se estima en 10-6 D siendo D la distancia que señara a los dos receptores o sea, de un cm por Km.
El sistema GPS es ciertamente revolucionario con aplicaciones terrestres, marítimas, aéreas y espaciales.
C) Fotogrametría
La fotogrametría es una ciencia desarrollada para obtener medidas reales a partir de fotografías, tanto terrestres como aéreas, para realizar mapas topográficos, mediciones y otras aplicaciones geográficas. Normalmente se utilizan fotografías tomadas por una cámara especial situada en un avión o en un satélite. Las distorsiones de las fotografías se corrigen utilizando un aparato denominado restituidor fotogramétrico. Este proyector crea una imagen tridimensional al combinar fotografías superpuestas del mismo terreno tomadas desde ángulos diferentes.
4. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS PARA LA MEDIDA DE ÁNGULOS
Son instrumentos que sirven para determinar el valor de las magnitudes angulares, siendo el grado su unidad de comparación.
A) Transportador simple
Consta de un semicírculo graduado en grados o medios grados, desde 0 a 180 ºC (los hay que están graduados en ambos sentidos) y de una regla que gira sobre el centro de dicho semicírculo, la cual puede fijarse en una posición determinada por medio de un tornillo.
Para medir un ángulo con una transportador numerado en un solo sentido, hay que tener en cuenta en que lado de la regla se coloca la pieza: si se coloca a la derecha de la regla, el ángulo que se lee coincide con el valor angular del diedro que se está midiendo; si se coloca a la izquierda de la regla, el ángulo que se lee es el suplemento del valor angular que se está midiendo.
B) Goniómetro universal
Es un aparato que permite obtener medidas de ángulos con mucha mayor precisión que el transportador simple.
Consta de un cuerpo principal, formado por un limbo circular y dos superficies de referencia de un cuerpo giratorio, compuestos de un nonius circular, un brazo solidario alineado con el acero del nonius y una regla móvil ranurada, la cual se desliza por el brazo.
El nonius consiste en una pequeña escala graduada que va grabada en el cuerpo giratorio. Esta escala va grabada a ambos lados del origen con objeto de realizar lecturas en ambos sentidos; el trazo cero de la escala coincide con el eje del brazo giratorio.
El fundamento del nonius circular es el mismo que el del pie de rey; para una apreciación igual a 1/n, el nonius debe tener n divisiones, correspondientes a n-1 divisiones de la escala principal (en los nonius de 10 divisiones la apreciación es de 1/10 = 10’).
Para efectuar la lectura hay que tomar como origen el valor cero del nonius, y la lectura será la que indique el nonius del cuerpo giratorio sobre la escala graduada del cuerpo principal o limbo, es decir, cuando el cero está entre dos trazos del limbo, el trazo más cercano al cero señalará los grados y el trazo del nonius que coincida con una del limbo nos indicará los minutos. Ha de tenerse en cuenta que sobre la escala principal del aparato no se pueden efectuar medidas superiores a 90 ºC, por lo cual, ha de elegirse convenientemente el sentido de realización de la medida y la forma de posicionar la pieza.
5. INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS PARA MEDIDAS ELÉCTRICAS
5.1. Instrumentos para medidas eléctricas
A). Voltímetros
El voltímetro es un aparato destinado a medir tensiones, formado por una bobina de hilo de cobre muy fino y gran número de vueltas; es, por lo tanto, de gran resistencia. Esta bobina es de núcleo hueco, y en su interior va alojada una pieza de chapa de hierro unida a un eje. Este eje lleva una aguja que se desvía del cero proporcionalmente a la tensión que se aplica a sus bornes, marcando así sobre escala la d.d.p. existente.
La conexión de estos aparatos se hace en paralelo, ya que tienen que medir la d.d.p. entre dos puntos de un circuito.
B) Amperímetro
Es un instrumento destinado a medir intensidades; esta formado por los mismos elementos del voltímetro pero en este caso la bobina está hecha con hilo grueso y muy pocas espiras. Por tanto, esta bobina es de escasa resistencia. La conexión de este aparato debe hacerse en serie, ya que tiene que medir el paso de la corriente, y por tanto la desviación de la aguja es proporcional a la intensidad de la corriente.
El amperímetro no debe conexionarse nunca en paralelo, ya que de hacerlo se provocaría un cortocircuito, en razón de la poca resistencia de su bobina.
C) Ohmímetro
Instrumento de medida en el que el valor óhmico de la resistencia a medir puede leerse directamente. Este instrumento se basa en la Ley de Ohm, la resistencia es inversamente proporcional a la intensidad de la corriente que pasa por un circuito.
D) Puente de Wheatstone
Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone. Este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí formando un cuadrilátero.
D) Vatímetro
Es un instrumento que proporciona directamente la potencia del circuito donde está intercalado. El vatímetro tiene una bobina fija dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante de la bobina móvil depende tanto de la corriente como del voltaje y puede calibrarse directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la corriente (tensión e intensidad).
E) Frecuencímetro
Es un instrumento que sirve para medir la frecuencia en corriente al terna y pueden ser de dos tipos, de lengüetas (cuyo funcionamiento está basado en el fenómeno físico de la resonancia) y de aguja indicadora.
E) Contador de energía
El medidor de vatios por hora, también llamado contador de energía o contador de servicio, es un dispositivo que mide la energía total consumida en un circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que registran el consumo total directamente en kilovatios-hora (kWh).
5.2. Procedimientos de medidas eléctricas
A) Medida de tensión
Para la medida de tensiones o diferencia de potencial que existe entre dos puntos cualesquiera de un circuito eléctrico, se emplea un voltímetro. Su conexión se hace siempre entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. Si de lo que se trata es de medir la tensión de una línea, se conecta en paralelo.
De los voltímetros que existen, unos son para corriente continua y otros para corriente alterna. Se construyen con distintos alcances y la medición de la tensión se realiza una vez seleccionado el alcance del aparato.
B) Medida de intensidades
Para medir la intensidad de corriente que circula por un conductor, se emplea un amperímetro y se conecta siempre en serie con el receptor. Sirven tanto para corriente continua y alterna y se construyen, igual que los voltímetros, con diversos alcances y la medición de la intensidad se hará previa selección del alcance del aparato.
C) Medida de resistencia
Existen diversos procedimientos, de los cuales describiremos los siguientes:
– Por medio de voltímetro y amperímetro
Este método consiste en alimentar con una fuente de corriente continua el circuito que contiene la resistencia a medir. Con el voltímetro se mide la caída de tensión de la resistencia y con el amperímetro la intensidad que pasa por ella. Aplicando la Ley de Ohm, el valor de la resistencia será:
R = V/I
–Por medio de ohmímetro
Una pila o batería de tensión constante envía una corriente a través de la resistencia a medir. Esta corriente queda indicada en un miliamperímetro, que como tiene la escala graduada en ohmios, dará el valor de la resistencia a medir.
–Por medio del puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone permite medir muy fácilmente y de manera precisa una resistencia desconocida. Es suficiente que R1 = R2 y que R3 sea una resistencia regulable.
Una vez hecho el montaje y cerrado el interruptor, se accionará la resistencia R3 hasta que el galvanómetro marque cero. En ese momento R3 = Rdesconocida
D) Medidas de potencia en corriente continua
En corriente continua la determinación de potencia puede realizarse por dos procedimientos:
–Por medio de voltímetro y amperímetro
Ambos aparatos conectados según: (Anexo ll)
Medirán la tensión y la intensidad, respectivamente. El voltímetro puede conectarse antes o después del amperímetro, dándose en ambos casos un error de medición que debe tenerse en cuenta en las medidas de cierta precisión.
La potencia será el producto de la tensión por la intensidad, P = U · I , donde P se expresa en vatios, U en voltios e I en amperios
–Por medio del vatímetro
El vatímetro se emplea para la medida directa de la potencia en corriente continua; el aparato tiene una bobina amperimétrica, conectada en serie con el circuito y de una voltimétrica en paralelo.
E) Medida de la potencia en corriente alterna monofásica
En corriente alterna el concepto de potencia es más complicado ya que, por lo general, la intensidad de corriente está desfasada un ángulo con respecto a la tensión. Como consecuencia de ello, en una corriente alterna senoidal hay tres expresiones posibles de potencias:
Potencia activa: P = V · I · cos φ
Potencia reactiva: Pr = V · I · sen φ
Potencia aparente: Pa= V· I
La tensión se puede representa por U o por V indistintamente.
La potencia activa se mide en vatios y es la potencia útil. Se puede medir por dos procedimientos:
-Con vatímetro, colocando la bobina amperimétrica en serie con el circuito y la voltimétrica en paralelo. Es el procedimiento más rápido y cómodo; la medida de la potencia es directa.
-Por medio de tres aparatos, voltímetro, amperímetro y cosímetro, donde la intensidad a medir por el producto de las tres indicaciones, es decir: P=V · I · cos φ
La potencia reactiva se mide en voltamperios reactivos e indica la influencia que tienen los elementos de carácter reactivo en el sistema eléctrico considerado; se mide con un vatímetro.
La potencia aparente se mide en voltamperios y expresa un valor orientativo, que indica cual sería la potencia si no hubiera desfase; se mide con un voltímetro y un amperímetro.
F) Medida de frecuencias
En corriente alterna la medida de frecuencia se efectúa, generalmente, por medio de instrumentos de medida directa llamados frecuencímetros. La conexión de los frecuencímetros consiste en conectar sus dos bornes en paralelo, como si fuera un voltímetro, a los conductores de la línea.
G) Medida de energía en corriente continua
En corriente continua sólo existe potencia activa, por tanto energía reactiva y para su medición se emplea el contador Thomson.
El contador Thomson está constituido por un motor de corriente continua (sin hierro para evitar fenómenos de histéresis), los inductores de hilo grueso están conectados en serie con el circuito a medir, y el inducido de hilo fino, conectado en desviación por medio de una resistencia con los conductores de la red.
Un sistema mecánico, arrastrado por el inducido, permite registrar el número de vueltas del motor durante el tiempo de funcionamiento. El aparato va graduado directamente en vatios-hora.
Para que el motor no corra el riesgo y su velocidad sea realmente proporcional a la potencia consumida, se le frena por medio de un disco de aluminio fijado en el eje del inducido y que gira entre los polos de un imán permanente.
H) Medida de energía en corriente alterna monofásica
En corriente alterna la energía se mide generalmente por medio de los contadores de inducción. Estos llevan dos electroimanes verticales. Uno formado por varias espiras de hilo grueso, que está conectado enserie con el circuito por medir; el otro, formado por un gran número de espiras, de hilo fino, está conectado en derivación con los conductores de la red.
Estos dos electroimanes actúan sobre un disco de aluminio. Los electroimanes que ofrecen autoinducciones de valores diferentes, crean un campo giratorio. Este campo arrastra al disco como consecunecia de la creación de corrientes de foucault y e disco se comporta como el rotor de un motor de campo giratorio.
El eje del disco arrastra un dispositivo mecánico que registra en un cuadrante el consumo de energía. Al igual que en los contadores de corriente continua, un imán permanente frena el movimiento de rotación de disco.
El contador de energía reactiva, derivado del sistema de activa, se logra poniendo una resistencia en el circuito de tensión y modificando algunos componentes del circuito magnético.
6. EL ERROR EN LA MEDIDA
Se da el nombre de error de medida a las diferencias, hasta unos ciertos límites acotados superiormente, existentes entre una magnitud real y la medida que hacemos de ella.
En toda valoración cuantitativa de un fenómeno físico, se considera admisible un cierto error. Esto es debido a que las teorías físicas no son sino esquemas mentales simplificados de una realidad muy compleja, despreciándose por ello causas y efectos que influyen poco en el fenómeno particular que la teoría considera.
Por esta causa, existe siempre un campo de validez en la aplicación de cada teoría y un límite en la aproximación cuantitativa que proporciona, fuera de los cuales no es admisible.
6.1. Clases de errores
Atendiendo a los factores que afectan a las medidas se obtiene inmediatamente una primera clasificación de los errores:
a) Errores debidos a los instrumentos
b) Errores debidos al observador
c) Errores debidos al método
subdividiéndose, además, cada grupo en sistemáticos y accidentales.
–Sistemáticos: Son los que se reproducen siempre de igual modo en todas las medidas. La causa de los mismo se ha de achacar a defecto del instrumento o a una tendencia determinada del observador en la obtención de la medida. Estos errores tienen siempre magnitud y signo determinados los cuales, una vez conocidos, pueden tenerse en cuenta para corregir las lecturas. Se les considera, por ello, errores controlables.
–Accidentales: Son producidos por variaciones, a priori indeterminadas, en las condiciones experimentales, que provocan alteraciones de uno u otro sentido en los resultados. La reiteración del proceso de medición permite poner de manifiesto su existencia y se puede calcular su cuantía para tenerla en cuenta en el resultado final del conjunto; pero no es posible encontrar una corrección aplicable a cada medida, por eso se le considera incontrolables.
a)Errores debidos a los instrumentos
Son debidos a las siguientes causas:
-A defectos de construcción o imperfecciones mecánicas en el centrado, alineación, rectitud, forma y espesor de los trazos de la graduación.
-A deformaciones elásticas o por contracciones de los elementos de medición.
-A defectos de reglaje.
-A desgastes por el uso y envejecimiento natural.
b) Errores debidos al operario
Son debidos a:
-Diferencias de presión de contacto entre la pieza y los palpadores, según la fuerza aplicada por el operador.
-A la dificultad de apreciar la concordancia exacta entre los trazos del nonius y la regla, en el caso de instrumentos de este tipo. El ojo humano no puede apreciar graduaciones muy aproximadas pues su poder separador está limitado a 0,1 mm.
-Lecturas falsas por no mirar el índice según la dirección perpendicular a la escala de graduación.
c)Errores debidos al ambiente
El frío, viento, humedad, gravedad, etc. Influyen en el resultado de las medidas. La características del ambiente que principalmente es la causa de errores es la temperatura, pues las dilataciones que produce influyen notablemente en la exactitud de los aparatos de medida, y en las dimensiones de las piezas que miden.
Para evitar este tipo de errores las medidas de precisión se deben realizar a una determinada temperatura de referencia (normalmente 20ºC).
6.2. Teoría de errores
a) ERROR ABSOLUTO Y RELATIVO
El error absoluto es la diferencia entre la medida obtenida y el verdadero valor. El error absoluto puede ser por exceso o por defecto según que la medida sea mayor o menor, respectivamente, que el valor dado.
e = x – xo
siendo x la medida obtenida y xo el valor real.
El error absoluto será desconocido ya que experimentalmente lo que obtenemos es el valor aproximado. Por eso en la práctica se adopta en lugar de xo el valor medio de un gran número de observaciones o simplemente se asigna a e un valor límite o cota superior (o se toma para él la menor cantidad capaz de ser medida con el dispositivo utilizado).
El error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor de la medida. Este error pone de manifiesto la relatividad de la precisión de la medida.
ε = e/ xo
Como xo es, en general, desconocido se fija una cota superior para ε. Con frecuencia los errores relativos se expresan en tanto por ciento.
b) CURVA DE GAUSS
Cuando se llevan a cabo un gran número N de medidas de una misma magnitud, los errores individuales de cada medida se distribuyen entre una gran variedad de valores; cualquier error es posible, aunque siempre son menos probables los mayores.
Si se representan el número de casos n en que el error cae dentro de diversos intervalos, es decir, la frecuencia relativa de cada error, se obtiene una curva en forma de campana, llamada curva de Gauss.
Cuanto más alta y estrecha sea la forma de la campana, representa a una serie de medidas con menor dispersión; nos da idea de la precisión de las medidas, que en este caso son muy probables los errores pequeños.
Se denomina error probable al error tal que son igualmente probables los errores superiores y los inferiores a él.
Para expresar la calidad de una serie de medidas se recurre al error medio y al error estándar, siendo el error medio la media de los valores absolutos de los errores. Se conoce como desviación media.
d = 1/n ∑ │ei│
La desviación así definida tiene la ventaja de su sencillez de cálculo, pero presenta un grave inconveniente: cuentan lo mismo las desviaciones grandes que las pequeñas lo cual, en serie grandes, puede admitirse, pero en serie pequeñas los resultados estarán tanto más lejos de la realidad cuanto menor sea el número de medidas. Por esta razón se define la varianza como el valor medio de los cuadrados de los errores (o desviaciones). La raíz cuadrada de la varianza es el error estándar.
S2 = σ2 = ∑ ei / n s = σ = ∑ ei / n