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P. P. Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica __________________________________________________________________________________

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES P.P. INGENIERIA MECANICA, MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA SESION 05: DISEÑO, AMPLIACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN VOLTIMETRO DE DC I.-OBJETIVO: Convertir un mecanismo de medición en un voltímetro de diferentes rangos. Diseñar y comprobar experimentalmente el valor de las resistencias multiplicadoras necesarias para construir el voltímetro de diferentes rangos. II.- MARCO TEÓRICO: Los aparatos de medida que miden tensiones (voltímetros) o que tienen bobinas voltimétricas (vatimetros, contadores de energía, etc.) las mediciones no se basan directamente en los efectos de la tensión eléctrica sino en los efectos producidos por la intensidad de corriente. lo que sucede es que de acuerdo con la ley de Ohm, la tensión eléctrica y la intensidad de corriente son proporcionales y por lo tanto las escalas de los aparatos de medida pueden graduarse en voltios y medir de esta forma las tensiones eléctricas. Ahora bien, con objeto de mantener lo mas bajo posible la potencia consumida, el mecanismo de medida ha de recibir intensidades de corriente muy pequeñas. Si se quieren medir tensiones relativamente elevadas, se conecta una resistencia en serie o resistencia adicional, de forma que la corriente no pueda exceder de los limites considerados como tolerables, de esta forma una parte de la tensión actúa sobre el aparato de medida y el resto (por lo general mucho mayor) se disipa en la citada resistencia adicional. El voltímetro esta compuesto de un mecanismo de medición y de la resistencia interna multiplicadora.

i : Corriente máxima que deflecta toda la escala del mecanismo de medición v : máxima tensión que puede medir el mecanismo de medición ( v= i r) r : Resistencia interna del mecanismo de medición Rmn: Resistencia multiplicadora de uno de los rangos Vn : Tensión máxima que se desea medir en uno de los rangos Para determinar las resistencias multiplicadoras de los diferentes alcances, se emplea la siguiente formula: Rmn = (n-1) r Donde n = factor multiplicador o multiplicador : Guía de Medidas Eléctricas

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Como la resistencia interior del aparato de medida es siempre muy pequeña en comparación con la resistencia adicional, en todos los casos se puede mantener el error del aparato de medida dentro de los limites determinados por la clase de precisión del propio aparato de medida. La resistencia adicional se instala unas veces en el interior del aparato de medida y otras veces en el exterior de dicho aparato. Aunque las resistencias en serie o resistencias adicionales puedan aplicarse indistintamente a mediciones en corriente continua y en corriente alterna, en la práctica se emplean con más frecuencia para medida en corriente continua. Cuando se trata de corriente alterna, en muchos casos se utilizan transformadores. Las resistencias adicionales se emplean, sobre todo, para la ampliación del campo de medida de los voltímetros. Pero los circuitos voltimétricos de los vatímetros, cosfímetros, frecuencimetros y otros aparatos de medida también están provistos de resistencias adicionales. III.-ELEMENTOS A UTILIZAR: Un Miliamperímetro de corriente continua de 10mA Un milímetro digital (Voltímetro patrón). Resistencias de diferentes valores, de acuerdo al diseño del instrumento. Cables de conexión. Una fuente rectificadora Un variac monofásico IV.-PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN: El instrumento de medición de diferentes rangos se realizara de la siguiente manera: a) Se utilizara el miliamperímetro en el rango de 10mA como mecanismo de medición para la construcción de un voltímetro. b) Una vez determinadas las resistencias de diferentes valores se procederá a instalarlas en serie con respecto al miliamperímetro y su resistencia interna, de tal manera que estas determinen rangos adicionales al instrumento tomando en cuenta que estas siempre funcionaran conmutando por separado. Se realizará el calculo de la resistencias en serie para los rangos de 50 V, 100 V, y 200V. c) Luego se utilizara el multímetro digital para realizar medidas comparativas y de esta manera parametrar la escala del nuevo instrumento. d) Arme el circuito del voltímetro para los rangos diseñados. e) Contraste su voltímetro experimental con uno patrón tomando por lo menos 4 lecturas por escala o rango.

Guía de Medidas Eléctricas

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Características del sistema de medición: i (mA): …10mA…….

r: …5 ohm…….

Rango de 50 V n=1004 Rmn= 4.9972 kohm Se usó el programa Multisim para simular el circuito variando los valores para obtener el voltaje e intensidad lo más cercano posible al valor calculado. Para 2mA 10.0V

Para 10mA 50.0V

Vpatron(V)

i(mA)

v=ir(V)

V=nv(V)

Eabs

Erelativo%

10.02

2

0.01

10.004

0.016

0.15993603

15.02

3

0.015

15.006

0.014

0.09329601

25.02

5

0.025

25.01

0.01

0.03998401

35.03

7

0.035

35.014

0.016

0.04569601

50.05

10

0.05

50.02

0.03

0.05997601

Rango de 100 V n=1999 Rmn= 9.990 kohm Para 3 mA 30 V

Para 10 mA 100 V

Vpatron(V)

i(mA)

v=ir(V)

V=nv(V)

Eabs

Erelativo%

20.05

2

0.01

19.99

0.06

0.30015008

30.03

3

0.015

29.985

0.045

0.15007504

50

5

0.025

49.975

0.025

0.05002501

70

7

0.035

69.965

0.035

0.05002501

100.01

10

0.05

99.95

0.06

0.06003002

Rango de 200 V n=4000.2 Rmn= 19.996 kohm Para 2 mA 40 V

Para 10 mA 200 V

Vpatron(V)

i(mA)

v=ir(V)

V=nv(V)

Eabs

Erelativo%

40

2

0.01

40.002

0.002

0.00499975

60

3

0.015

60.003

0.003

0.00499975

100

5

0.025

100.005

0.005

0.00499975

140

7

0.035

140.007

0.007

0.00499975

200.04

10

0.05

200.01

0.03

0.01499925

V.-CUESTIONARIO: 1.- ¿En que consiste el sistema de medición de bobina móvil o movimiento de D’Arsonval utilizado en los Voltímetros de cc ? 2.- Adjunte los diseños de todos los rangos de voltímetros que diseño y explique el procedimiento de cálculo. 3.- ¿Cuál es la función de las resistencias en serie o multiplicadoras y qué características debe de cumplir? 4.- ¿Qué precauciones se debe tener para el uso del Voltímetro analógico? 5.- Realice un análisis del efecto de carga que tienen las resistencias utilizadas en el circuito. 6.- Realice en forma tabulada una comparación entre los valores obtenidos por el voltímetro patrón y el voltímetro que ha sido diseñado (para cada uno de los tres rangos). Encuentre los errores absolutos y relativos porcentuales. 7. ¿En qué consiste la ampliación de rango de un voltímetro de CC? Explique VI.-OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES: Hacer las observaciones y conclusiones en forma clara y empleando el menor numero de palabras, 05 de cada una. VII.-BIBLIOGRAFÍA. Indique la bibliografía o página Web utilizada. NOTA.- TRAER UN POTENCIOMETRO DE 30KΩ (10mA de capacidad o más) por grupo Guía de Medidas Eléctricas