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Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FA C ULTA D D E IN G EN I ERI A S D E P ROD UC C ION Y S ERV I CI OS

SESION 4: DISEÑO, AMPLIACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN AMPERÍMETRO DE DC I.-OBJETIVO: Convertir un mecanismo de medición en un medidor de corriente de diferentes rangos. Diseñar y comprobar experimentalmente el valor de los shunts necesarios para construir el miliamperímetro de diferentes alcances. Conocer el procedimiento a seguir para la ampliación de rango de un amperímetro. II.- MARCO TEÓRICO:. Un amperímetro es un instrumento de medición que indica la magnitud de la corriente eléctrica, por medio de la desviación de la aguja. El amperímetro directo es aquel por la que circula toda la corriente eléctrica a través del sistema móvil (mecanismo de medición). Por razones que se explican a continuación, el alcance de este tipo de instrumento no puede ser grande, ya que la densidad de la corriente eléctrica que circula por los resortes antagonistas que sirven a la vez para conducir la corriente hacia el sistema móvil, es de poco valor. Por estas razones la máxima intensidad de corriente admisible para este tipo de amperímetro no sobrepasa los 0.5 Amperios. La mínima corriente que deflecta toda la escala es de 10 uA. Para medir corrientes mayores que admite el sistema móvil, se conectan en paralelo resistencias de valor conocido, llamados shunts, tal como se muestra:

Donde: In : corriente máxima que se desea medir en uno de los alcances. i : corriente máxima que circula por el sistema móvil Rsn :Resistencia shunts para un rango determinado r : resistencia interna del sistema móvil para determinar la resistencia shunts de los diferentes alcances, se emplea la siguiente formula:

Donde :

n = In / i se le llama relación del shunt del instrumento

De acuerdo con la expresión hallada anteriormente la resistencia shunts es inversamente proporcional a (n-1). Como por otra parte la ampliación del campo de medida es grande (por lo tanto n es grande), resulta que la resistencia shunt ha de ser muy pequeña.

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Guia de prácticas de medidas eléctricas

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Debido a errores de temperatura que se pudieran presentar se le conecta una resistencia adicional Rad en serie, de manganina a la bobina del instrumento

donde

Ri = r + Rad

La resistencia adicional se elige de forma que se obtenga un milivoltimetro para valores fijos máximos de medida; por ejemplo: 30, 45, 60, 100, 120, 150, 300 mV.

Ejemplo: El alcance de medida de un amperímetro construido para 150 mV, cuya resistencia interior vale:

Ri = r + Rad = 2  Se ha de ampliar para medir hasta 60 A. ¿Cuál es la resistencia shunts o en derivación que se necesita? 1º Hallamos “n”: = In/i

i =0.15 / 2 = 0.075 A n = 60 / 0.075 = 800 2º Hallamos Rsh

Rsn = 2 / (800-1) = 0.0025  Los shunts pueden estar incluidos directamente en el aparato de medida o en otros casos, se conectan a dicho aparato mediante conductores de conexión. Los shunts no solo se calibran por la intensidad de corriente que pueden absorber, sino por la caída de tensión que producen; de esta forma pueden utilizarse todos los shunts y aparatos de medida que produzcan igual caída de tensión. Generalmente, los shunts que se utilizan con aparatos portátiles o de laboratorio, están previstos para una caída de tensión en el shunt de 60 mV. En los aparatos de medidas industriales y de cuadro se han normalizado las siguientes caídas de tensión: 30, 45, 60, 100, 120, 150, 300 mV. Se construyen shunts para alcances de medida comprendidos entre 1 A y 10000 A. Según su exactitud, los shunts se clasifican en cinco clases: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5 y 1.0%. En lo que se refiere a su disposición constructiva, se puede indicar lo siguiente (se acostumbran a fabricarse de manganina): - Para pequeñas corrientes (hasta 20 A): alambres o cintas tensadas - Para corrientes medias (hasta 200A): una o dos cintas o chapas tensadas. - Para corrientes elevadas (hasta 1000 A): dos o mas chapas paralelas o alambres de 5 a 8 mm de diámetro. - Para corrientes muy elevadas (hasta 10000 A): tres o más chapas paralelas.

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Aunque las resistencias en derivación o shunts pueden aplicarse indistintamente a medidas en corriente continua y en corriente alterna, en la práctica se emplean casi exclusivamente para medidas en corriente continua. Para las medidas en corriente alterna de corrientes grandes se utilizan los transformadores de medida. Los shunts se emplean sobretodo para la ampliación de campo de medida de los amperímetros, es decir, para la medición de intensidades de corriente. Naturalmente, también se utilizan en aquellos aparatos y dispositivos de medida provistos de circuitos amperimétricos (vatímetros, medidores de energía, etc). III.-ELEMENTOS A UTILIZAR:       

Un Miliamperímetro de corriente continua de10mA Un multímetro digital, Un Amperímetro digital patrón de corriente continua. Resistencias de diferentes valores, de acuerdo al diseño del instrumento 1000Ohmios, 44 ohmios, 10 ohmios Cables de conexión. Un variac monofasico Una fuente rectificadora

IV.-PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN: a) Se utilizara el miliamperímetro de 10 mA (como galvanómetro del instrumento) como pantalla del instrumento. b) Se calculará la resistencia shunts para los rangos de 1 y 3 A, con una valor de la resistencia adicional de 1Kohmio. c) Una vez determinadas las resistencias de diferentes valores se procederá a instalarlas según el siguiente circuito. La resistencia de carga RL, se calibrara a su mayor valor (44ohmios).

d) Variar la fuente de tensión para 04 valores diferentes en cada rango, anotar la corriente que indica el amperímetro patron (Ipatron)( amperímetro digital) y la corriente del miliamperímetro (i) hasta conseguir su máxima escala. e) Luego se utilizara el multímetro para realizar medidas comparativas y de esta manera parametrar la escala del nuevo instrumento.

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Rango de 1 A

Rango de 3 A

Rs = n=

Rs= n=

V

i

Ipatron

I=ni

V

i

Ipatron

I=ni

V.-CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es un miliamperímetro? 2. Adjunte los cálculos de los diseños del miliamperímetro, para los rangos realizados. 3. ¿Cuál es la función de la resistencia Shunt? 4. ¿Qué precauciones debe tener para el uso del amperímetro? 5. ¿Qué pasaría si no se realizara una buena conexión con la resistencia shunts, cuando se esta efectuando la medición de corriente? 6. Demostrar la fórmula para encontrar el valor de la Resistencia de shunt. 7. Comparar las lecturas de la corriente patrón y la corriente medida con el shunt.

Hallando

el error

absoluto,

relativo

porcentual.

Expliques

las

diferencias. 8. ¿Qué

características

eléctricas

deben

reunir

las

resistencias

Shunts

Amperimétricos y que materiales se usan en su fabricación? Explique. 9. Podría medirse intensidades de corriente del orden de los kiloamperios utilizando resistencias shunts amperimétricos? Explique 10. ¿Cuál es la principal aplicación que se les da a las resistencias shunts? 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.

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SESION 5: 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 :

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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.

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Características del sistema de medición: i (mA): ………. r: ………. Rango de 50 V

Rango de 100 V

n=

n=

Rmn = Vpatron

i

v = ir

Rmn = Vpatron

V=nv

i

v = ir V = n v

Rango de 200 V

n= Rmn = Vpatron

i

v = ir

V=nv

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. Explique el procedimiento para ampliar el rango de un voltímetro de DC. 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. Guia de prácticas de medidas eléctricas