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La fisica y quimica

¿Qué es un medidor?

 

Un metro es cualquier dispositivo construido para detectar y mostrar con precisión una cantidad eléctrica en una forma legible por un ser humano. Por lo general, esta “forma legible” es visual: el movimiento de un puntero en una escala, una serie de luces dispuestas para formar un “gráfico de barras” o algún tipo de pantalla compuesta de figuras numéricas. En el análisis y prueba de circuitos, hay medidores diseñados para medir con precisión las cantidades básicas de voltaje, corriente y resistencia. También hay muchos otros tipos de medidores, pero este capítulo cubre principalmente el diseño y la operación de los tres básicos.

 

La mayoría de los medidores modernos tienen un diseño “digital”, lo que significa que su pantalla legible está en forma de dígitos numéricos. Los diseños más antiguos de medidores son de naturaleza mecánica, y utilizan algún tipo de dispositivo puntero para mostrar la cantidad de medición. En cualquier caso, los principios aplicados al adaptar una unidad de visualización a la medición de (relativamente) grandes cantidades de voltaje, corriente o resistencia son ​​los mismos.

 

¿Qué es un movimiento de medidor?

 

El mecanismo de visualización de un medidor a menudo se denomina movimiento , tomando prestado de su naturaleza mecánica para mover un puntero a lo largo de una escala para poder leer un valor medido. Aunque los medidores digitales modernos no tienen partes móviles, el término “movimiento” puede aplicarse al mismo dispositivo básico que realiza la función de visualización.

 

Movimiento del medidor electromagnético

 

El diseño de “movimientos” digitales está más allá del alcance de este capítulo, pero los diseños de movimiento de medidores mecánicos son muy comprensibles. La mayoría de los movimientos mecánicos se basan en el principio del electromagnetismo: esa corriente eléctrica a través de un conductor produce un campo magnético perpendicular al eje del flujo de corriente. Cuanto mayor es la corriente eléctrica, más fuerte es el campo magnético producido. Si se permite que el campo magnético formado por el conductor interactúe con otro campo magnético, se generará una fuerza física entre las dos fuentes de campos. Si una de estas fuentes es libre de moverse con respecto a la otra, lo hará a medida que la corriente se conduce a través del cable, siendo el movimiento (generalmente contra la resistencia de un resorte) proporcional a la fuerza de la corriente.

 

Los primeros movimientos del medidor construidos se conocían como galvanómetros , y generalmente se diseñaron teniendo en cuenta la máxima sensibilidad. Se puede hacer un galvanómetro muy simple con una aguja magnetizada (como la aguja de una brújula magnética) suspendida de una cuerda y colocada dentro de una bobina de alambre. La corriente a través de la bobina de alambre producirá un campo magnético que evitará que la aguja apunte en la dirección del campo magnético de la tierra. En la siguiente fotografía se muestra un galvanómetro de cuerda antiguo:

 

antique string galvanometer

 

Tales instrumentos fueron útiles en su tiempo, pero tienen poco lugar en el mundo moderno, excepto como prueba de concepto y dispositivos experimentales elementales. Son altamente susceptibles al movimiento de cualquier tipo y a cualquier perturbación en el campo magnético natural de la tierra. Ahora, el término “galvanómetro” generalmente se refiere a cualquier diseño de movimiento del medidor electromagnético construido para una sensibilidad excepcional, y no necesariamente un dispositivo tosco como el que se muestra en la fotografía. Ahora se pueden realizar movimientos prácticos del medidor electromagnético donde una bobina de alambre pivotante está suspendida en un campo magnético fuerte, protegido de la mayoría de las influencias externas. Tal diseño de instrumento se conoce generalmente como imán permanente, bobina móvil o PMMC movimiento:

 

permanent magnet moving coil meter movement

 

En la imagen de arriba, la “aguja” de movimiento del medidor se muestra apuntando en algún lugar alrededor del 35 por ciento de la escala completa, siendo cero a la izquierda del arco y la escala completa a la derecha del arco. Un aumento en la corriente medida hará que la aguja apunte más hacia la derecha y una disminución hará que la aguja vuelva a caer hacia su punto de reposo a la izquierda. El arco en la pantalla del medidor está etiquetado con números para indicar el valor de la cantidad que se está midiendo, sea cual sea esa cantidad. En otras palabras, si se necesitan 50 µA de corriente para conducir la aguja completamente hacia la derecha (haciendo de este un “movimiento de escala completa de 50 µA”), la escala tendría 0 µA escrita en el extremo izquierdo y 50 µA en el muy a la derecha, 25 µA marcados en el medio de la escala. Con toda probabilidad, la escala se dividiría en marcas de graduación mucho más pequeñas, probablemente cada 5 o 1 µA, para permitir que quien esté viendo el movimiento infiera una lectura más precisa desde la posición de la aguja.

 

El movimiento del medidor tendrá un par de terminales de conexión de metal en la parte posterior para que la corriente entre y salga. La mayoría de los movimientos del medidor son sensibles a la polaridad, una dirección de la corriente conduce la aguja hacia la derecha y la otra hacia la izquierda. Algunos movimientos del medidor tienen una aguja centrada en un resorte en el medio del barrido de la escala en lugar de hacia la izquierda, lo que permite mediciones de cualquier polaridad:

 

zero center meter movement

 

Los movimientos comunes sensibles a la polaridad incluyen los diseños D’Arsonval y Weston, ambos instrumentos tipo PMMC. La corriente en una dirección a través del cable producirá un par en el sentido de las agujas del reloj en el mecanismo de la aguja, mientras que la corriente en la otra dirección producirá un par en el sentido contrario a las agujas del reloj.

 

Algunos movimientos del medidor son sensibles a la polaridad en y dependen de la atracción de una veleta de hierro móvil no magnetizada hacia un cable estacionario que transporta corriente para desviar la aguja. Dichos medidores son ideales para la medición de corriente alterna (CA). Un movimiento sensible a la polaridad simplemente vibraría de un lado a otro inútilmente si estuviera conectado a una fuente de CA.

 

Movimiento del medidor electrostático

 

Si bien la mayoría de los movimientos mecánicos del medidor se basan en el electromagnetismo (flujo de corriente a través de un conductor que crea un campo magnético perpendicular), algunos se basan en la electrostática: es decir, la fuerza atractiva o repulsiva generada por las cargas eléctricas a través del espacio. Este es el mismo fenómeno exhibido por ciertos materiales (como cera y lana) cuando se frotan. Si se aplica un voltaje entre dos superficies conductoras a través de un espacio de aire, habrá una fuerza física que atraiga las dos superficies juntas capaces de mover algún tipo de mecanismo indicador. Esa fuerza física es directamente proporcional al voltaje aplicado entre las placas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las placas. La fuerza también es independiente de la polaridad, lo que hace que este sea un tipo de movimiento del medidor que no sea sensible a la polaridad:

 

electrostatic meter movement

 

Desafortunadamente, la fuerza generada por la atracción electrostática es muy pequeña para los voltajes comunes. De hecho, es tan pequeño que tales diseños de movimiento de medidores no son prácticos para su uso en instrumentos de prueba generales. Por lo general, los movimientos del medidor electrostático se utilizan para medir voltajes muy altos (muchos miles de voltios). Sin embargo, una gran ventaja del movimiento del medidor electrostático es el hecho de que tiene una resistencia extremadamente alta, mientras que los movimientos electromagnéticos (que dependen del flujo de corriente a través de un cable para generar un campo magnético) tienen una resistencia mucho menor. Como veremos con mayor detalle en el futuro, una mayor resistencia (que resulta en una menor corriente extraída del circuito bajo prueba) hace un mejor voltímetro.

 

Tubo de rayos catódicos

 

Una aplicación mucho más común de medición de voltaje electrostático se ve en un dispositivo conocido como Tubo de rayos catódicos o CRT . Estos son tubos de vidrio especiales, muy similares a los tubos de la pantalla de visualización de televisión. En el tubo de rayos catódicos, un haz de electrones que viaja en el vacío se desvía de su curso por el voltaje entre pares de placas de metal a cada lado del haz. Debido a que los electrones están cargados negativamente, tienden a ser repelidos por la placa negativa y atraídos por la placa positiva. Una inversión de la polaridad del voltaje a través de las dos placas dará como resultado una desviación del haz de electrones en la dirección opuesta, haciendo que este tipo de medidor sea “sensible” a la polaridad del movimiento:

 

polarity sensitive movement of cathode ray tube

 

Los electrones, que tienen mucha menos masa que las placas de metal, son movidos por esta fuerza electrostática muy rápida y fácilmente. Su trayectoria desviada se puede rastrear a medida que los electrones inciden en el extremo de vidrio del tubo donde chocan con una capa de fósforo químico, emitiendo un resplandor de luz visto fuera del tubo. Cuanto mayor sea el voltaje entre las placas de desviación, más se “doblará” el haz de electrones de su trayectoria recta, y más se verá el punto brillante desde el centro en el extremo del tubo.

 

Aquí se muestra una fotografía de un CRT:

 

real cathode ray tube photograph

 

En una TRC real, como se muestra en la fotografía anterior, hay dos pares de placas de desviación en lugar de una sola. Para poder barrer el haz de electrones alrededor del área completa de la pantalla en lugar de solo en línea recta, el haz debe desviarse en más de una dimensión.

 

Aunque estos tubos pueden registrar con precisión pequeños voltajes, son voluminosos y requieren energía eléctrica para funcionar (a diferencia de los movimientos del medidor electromagnético, que son más compactos y actúan por la potencia de la corriente de señal medida que los atraviesa). También son mucho más frágiles que otros tipos de dispositivos de medición eléctrica. Por lo general, los tubos de rayos catódicos se usan junto con circuitos externos precisos para formar un equipo de prueba más grande conocido como osciloscopio , que tiene la capacidad de mostrar un gráfico de voltaje a lo largo del tiempo, una herramienta tremendamente útil para ciertos tipos de circuitos donde los niveles de voltaje y / o corriente están cambiando dinámicamente.

 

Indicación a escala completa

 

Cualquiera que sea el tipo de medidor o el tamaño del movimiento del medidor, habrá un valor nominal de voltaje o corriente necesario para dar una indicación a escala completa. En los movimientos electromagnéticos, esta será la “corriente de deflexión a escala completa” necesaria para rotar la aguja de modo que apunte al extremo exacto de la escala indicadora. En los movimientos electrostáticos, la clasificación a escala completa se expresará como el valor del voltaje que resulta en la desviación máxima de la aguja accionada por las placas, o el valor del voltaje en un tubo de rayos catódicos que desvía el haz de electrones hacia el borde de la pantalla indicadora En los “movimientos” digitales, es la cantidad de voltaje que resulta en una indicación de “conteo completo” en la pantalla numérica: cuando los dígitos no pueden mostrar una cantidad mayor.

 

La tarea del diseñador del medidor es realizar un movimiento determinado del medidor y diseñar la circuitería externa necesaria para la indicación a escala completa a una determinada cantidad de voltaje o corriente. La mayoría de los movimientos del medidor (excepto los movimientos electrostáticos) son bastante sensibles, dando una indicación a escala completa en solo una pequeña fracción de un voltio o un amplificador. Esto no es práctico para la mayoría de las tareas de medición de voltaje y corriente. Lo que el técnico a menudo requiere es un medidor capaz de medir altos voltajes y corrientes.

 

Al hacer que el movimiento del medidor sensible forme parte de un circuito divisor de voltaje o corriente, el rango de medición útil del movimiento puede extenderse para medir niveles mucho mayores de lo que podría indicar el movimiento solo. Las resistencias de precisión se utilizan para crear los circuitos divisores necesarios para dividir el voltaje o la corriente adecuadamente. Una de las lecciones que aprenderá en este capítulo es cómo diseñar estos circuitos divisores.

 

REVISIÓN:

 

     

  • Un “ movimiento ” es el mecanismo de visualización de un medidor.
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  • Los movimientos electromagnéticos funcionan según el principio de un campo magnético generado por la corriente eléctrica a través de un cable. Ejemplos de movimientos de medidores electromagnéticos incluyen los diseños D’Arsonval, Weston y de paletas de hierro.
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  • Los movimientos electrostáticos funcionan según el principio de la fuerza física generada por un campo eléctrico entre dos placas.
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  • Los tubos de rayos catódicos (CRT) usan un campo electrostático para doblar la trayectoria de un haz de electrones, proporcionando una indicación de la posición del haz por la luz creada cuando el haz golpea el extremo del tubo de vidrio.
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