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• Jhan Rojas Pérez

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Medidas Electrónicas I

Reseña histórica

IMPORTANCIA DE LAS MEDICIONES ELECTRICAS Las mediciones o medidas desempeñan una misión trascendental en el progreso del hombre, cuya importancia quizá solamente sea superada por las facultades intelectivas. En efecto, podría decirse que el progreso de la Humanidad está jalonado por el descubrimiento del nuevo arte de medir. El más importante de estos descubrimientos puede ser, por tanto, considerado como la piedra angular de su progreso. La medición es el medio de que el hombre dispone para complementar su sistema sensorial y su cerebro. Es la base para establecer el cómputo de sus actividades y economía, guiando todo trabajo científico y dirigiendo el empleo de las máquinas economizadoras de esfuerzo en la industria y en el hogar. Los fenómenos eléctricos proporcionan el medio más importante y adaptable para efectuar no sólo las medidas eléctricas, sino también casi todas las medidas no eléctricas. Con adecuados detectores primarios, las medidas eléctricas pueden ser utilizadas en el proceso de cualquier información de medidas para fines de control, registro, indicación, telemetría y cómputo. Reseña histórica de las primeras medidas eléctricas, 600 años antes de Jesucristo-1850 después de J. C.: El descubrimiento de la electricidad por Thales, en el año 600 a. de J. C., cuando observó y registró el efecto electrostático producido frotando el ámbar, marcó el principio de la medición eléctrica. La atracción magnética entre la piedra imán y el hierro, así como la brújula magnética, primer instrumento eléctrico, fueron también conocidos e investigados antes de la Era Cristiana. La labor de sir William Gilbert (1540-1603), presidente del Colegio de Médicos de Londres, que ha sido llamado el padre de la electricidad, dio por resultado un rápido progreso en el estudio científico de la electricidad y las mediciones eléctricas. Gilbert pasó diecisiete años experimentando y recopilando toda la información disponible relativa a la electricidad y al magnetismo. Siguió el sistema de filosofía inductiva, en que los efectos físicos son determinados por cuidadosa experimentación y los resultados de una serie de experimentos son utilizados como base para la serie siguiente. Con este nuevo método de aproximación fue el primer investigador, desde Thales, y extendió el caudal de los conocimientos de electricidad. Su trabajo fue publicado en seis libros, impresos en Londres en el año 1600. Sus escritos, primera literatura verdaderamente científica, no solamente constituyeron una piedra angular en la ciencia eléctrica, sino que pronosticaron una sucesión concatenada de investigaciones, que han sido continuadas, a ritmo siempre creciente, durante siglos. En sus experimentos, Gilbert utilizó un rudimentario indicador de medida, que llamó versorium. Estaba construido con una fina aguja indicadora de metal pivotando sobre una punta de alfiler, y que giraba cuando se la aproximaba a un cuerpo cargado de electricidad. Pudo observar la atracción magnética empleando una aguja indicadora de hierro. Durante doscientos años después de los trabajos de Gilbert, muchos investigadores han contribuido al desarrollo de la ciencia eléctrica. En este período se trabajó, principalmente, en la investigación de las fuentes de la electricidad. Se inventaron las máquinas electrostáticas, el frasco de Leyden (primer condensador), y finalmente los trabajos de Galvani (1737-1798) y Volta (1745-1827), desde 1780 a 1790, condujeron al descubrimiento de la pila voltaica. Una vez que se dispuso de la corriente continua se hicieron rápidos avances. En efecto, tan rápidos fueron los descubrimientos en el período comprendido entre 1790 y 1850, que los historiadores no están siempre de acuerdo en quiénes fueron los descubridores de los fenómenos físicos. La mayoría de los principios básicos de todos los sistemas de mediciones eléctricas fueron descubiertos durante este período. Entre los investigadores notables pertenecientes a dicho período se cuentan Franklin (1706-1790), Coulomb (1736-1806), Galvani, Volta, Nicholson (1753-1815), Ampere (1775-1851), Oersted (1777-1836), Faraday (1791-1867), Seebeck, Poggendorf (1793-1877), Henry (1797-1878), Joule (1818-1889), Weber (1804-1891), Wheatstone (18021875) y Kelvin (1824-1907). Una importante contribución a las medidas de precisión fue el trabajo de Poggendorff, hacia 1841. Inventó el potenciómetro y su trabajo es clásico en este campo. Su potenciómetro de corriente constante y potenciómetro de resistencia constante son los fundamentos de muchos de los instrumentos importantes de laboratorio. Casi simultáneamente a la invención del potenciómetro por Poggendorff, Wheatstone perfeccionaba la red en puente que actualmente lleva su nombre. En realidad, el puente fue ideado primero por Christie, en 1833. Este instrumento del puente es también uno de los principales en la industria y en el laboratorio. Los instrumentos perfeccionados en este período fueron los electroscopios, electrómetros, voltímetros electrostáticos y galvanómetros de imán móvil. Comienzo de las aplicaciones industriales de los instrumentos, 1850-1900: En el período 1850-1900 aparecieron muchos de los instrumentos que hoy nos son familiares. En 1858 el galvanómetro de espejo de Kelvin hizo posible el telégrafo transatlántico. En 1867, Kelvin introdujo el primer registrador telegráfico utilizando el principio de bobina móvil. Poco tiempo después I- 1

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aparecieron los primeros registradores de cantidades eléctricas, siendo probablemente el primero el de Dolbear, en 1880. Dos años después, d'Arsonval mejoró la exactitud del galvanómetro de bobina móvil. Los instrumentos empezaron a rebasar los límites del laboratorio y encontrar aplicaciones en la industria. Los profesores Ayrton y Perry, de Londres, proyectaron los primeros instrumentos para su aplicación a la incipiente energía eléctrica y la industria ligera, y les dieron los nombres de amperímetro y voltímetro con el fin de distinguir sus instrumentos de los galvanómetros de laboratorio y telegráficos. En sus instrumentos utilizaron mecanismos pivoteados, agujas y escalas, y, más tarde, muelles en espiral. Weston contribuyó de modo importante, en 1888, al perfeccionamiento de los instrumentos de tipo comercial con su diseño de un instrumento del tipo d'Arsonval, construido por una bobina móvil pivotante, un núcleo de hierro dulce, piezas polares y conductores en espiral, que proporcionan el par antagónico; y Duddel creó, en 1897, el oscilógrafo de tipo electromagnético y, posteriormente, el galvanómetro de vibración del tipo de hilos. Elihu Thomson hizo muchos inventos en el período 1880-1900. Fueron notables sus primeros indicadores de corriente y potencial y su instrumento pivoteado de imán móvil y cuadro inclinado. El vatímetro registrador de Thomson, inventado en 1889 (figura Nº1), fue el primero de los contadores de energía o vatios-hora. Aunque actualmente el medidor de inducción es de uso universal para corriente alterna, en los circuitos de corriente continua todavía se emplea el instrumento de Thomson. El introdujo el frenado magnético y la compensación por fricción (ajuste para carga ligera). Durante sus trabajos para perfeccionar la soldadura eléctrica descubrió que un disco de metal o anillo es expelido del entrehierro de un electroimán excitado por corriente alterna. El principio de repulsión electroinductiva fue ampliamente aplicado no solamente a los motores de inducción a repulsión, sino a los instrumentos de medida y contadores de vatioshora. En 1895 Shallenburger introdujo el contador de vatios-hora del tipo de inducción. Los contadores que emplean este principio pertenecen a los aparatos de medida de mayor perfección y más importantes, ya que vienen a ser, efectivamente, la caja registradora de la industria eléctrica. Figura Nº 1 El desarrollo ininterrumpido del contador de vatios-hora ha dado lugar a numerosos perfeccionamientos en toda la técnica de medidas en las aplicaciones magnéticas, compensación de temperatura, sistemas de aislamiento y marcación de rumbo. El período anterior a 1900 alcanzó también la introducción de los instrumentos electromecánicos y contadores. La principal aplicación fue el contador de vatios-hora de Edison, utilizando la electrodeposición, en el que se medía la cantidad de electricidad por el aumento de peso del electrodo. Fueron empleados los instrumentos de par termoeléctrico, haciendo posible el uso de los medios más exactos de medida para cantidades de corriente alterna, particularmente en las más altas frecuencias. Ulteriormente, los instrumentos rectificadores con diodo de vacío dieron mayor utilidad a los aparatos de medida de corriente continua. También aparecieron otros instrumentos, como el voltímetro de hilo caliente de Cardew y los contadores de demanda térmicos. En 1893 fueron adoptadas las unidades internacionales de cantidades eléctricas. Fue éste un acontecimiento de capital importancia para la técnica de medidas. Aparición de la industria de construcción de aparatos de medida: En el período de 1900 a la primera guerra mundial apareció la industria de construcción de aparatos de medida con carácter de empresa comercial importante. Los fabricantes empezaron a especializarse en los instrumentos de la clase de laboratorio y en la producción comercial, destinada, principalmente, a las aplicaciones utilitarias de la electricidad. Desde entonces, las principales firmas, tales como General Electric, Westinghouse, Sangamo, Duncan, Weston, Ledds and Northrup y otros están fabricando y vendiendo dispositivos de medida. Ha habido invenciones muy numerosas que, si bien no han sido tan sensacionales como las del primer período, consideradas en particular, en conjunto han sido lo que ha motivado el avance rapidísimo de la técnica. Los progresos en el contador de vatios-hora han conducido a la construcción de contadores más pequeños y menos costosos, con márgenes más amplios de carga y de mayor duración. Igualmente se han perfeccionado los instrumentos indicadores, construyéndose instrumentos de menor campo, menor costo, más exactitud y mayor robustez, en cantidades cada vez I- 2

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mayores. La introducción de núcleos de acero al silicio, en 1903, ha determinado un considerable avance en la construcción de transformadores. En este período han hecho su aparición sistemas muy importantes para el ensayo magnético, como el de Epstein para la chapa de hierro, en 1900; el fluxómetro de Grassot, en 1904, y el permeámetro de Fahy, en 1918. La medición del vacío por medios eléctricos fue implantada y perfeccionada por el calibre de par termoeléctrico de Volge, y el de conductibilidad térmica de Pirani, en 1906, y el calibre de ionización de Buckley, en 1916. El puente de Mueller para la medida de temperatura, con detector de temperatura por resistencia de platino, fue inventado en 1916. Un importante adelanto en la técnica de medidas correspondiente a este período fue el invento del tubo de vacío controlado por rejilla, realizado en 1907 por De Forest, aunque los instrumentos electrónicos no adquirieron importancia comercial hasta mucho más tarde. El osciloscopio de rayos catódicos, por ejemplo, no apareció como producción industrial hasta 1925. Fue de importancia capital la introducción del motor de posición de corriente alterna, o selsyn. Una de las primeras aplicaciones de este dispositivo de medida fue su uso en la maniobra de compuertas del canal de Panamá, en 1913. Sin embargo, el selsyn no fue un dispositivo importante de medidas hasta casi la segunda guerra mundial y el advenimiento del servomecanismo. Los trabajos del profesor Callender en Inglaterra y Leeds en Estados Unidos dieron por fruto el primer registrador potenciométrico de equilibrio continuo del tipo de puente, patentado en U. S. A, en 1913. Estos instrumentos habían de ser de la mayor importancia en el perfeccionamiento de los sistemas automáticos. Pujante desarrollo de la técnica de medidas: El período comprendido entre las dos guerras mundiales estuvo jalonado por importantes aportes. En relación con las mejoras en la construcción de los contadores de vatios-hora, Kinnard perfeccionó un método de imanes compensadores de temperatura mediante shunts que tienen coeficientes negativos de temperatura y son de la magnitud correcta de permeabilidad para compensar los coeficientes positivos de temperatura de la densidad de flujo de los imanes. Este método de compensación es, actualmente, ampliamente adoptado en todos los instrumentos que dependen de la constancia del flujo de imán permanente para su calibración. El contador de vatios-hora continuó siendo la producción más importante para medidas, y los perfeccionamientos debidos a numerosos investigadores contribuyeron a una mayor exactitud y menor costo de este dispositivo. Con las correcciones para temperatura, tensión, sobrecarga (por medio de shunts saturables), factor de potencia y carga de alumbrado adoptadas se ha conseguido que la energía eléctrica sea la producción facilitada al consumidor que más exactamente se mide, con errores de una décima por ciento en amplios márgenes de influencias eventuales y años de funcionamiento continuo. Otra faceta de la historia del contador es la del perfeccionamiento de los materiales. Uno de los adelantos más notables fue la creación de los alnicos y otros materiales de imán permanente para elevada energía. Los transformadores de instrumentos fueron objeto de considerable atención en este período y se implantaron los procedimientos de compensación, tales como el de Wilson para la compensación de relación y ángulo de fase. En lo concerniente a los transformadores de instrumentos se crearon mejores materiales para núcleo, como los tipos de aleación níquel-hierro de alta permeabilidad. Estos materiales, conjuntamente con los imanes permanentes para alta energía, revolucionaron los diseños de los instrumentos. Se adoptaron instrumentos para panel de solamente 50 a 76 mm de diámetro e instrumentos para cuadros de conmutación con escalas hasta 270 grados, y, en general, los instrumentos fueron de construcción más exacta y robusta. Las aplicaciones de los nuevos materiales magnéticos dieron lugar a nuevos instrumentos, anteriormente impracticables, tales como el selsyn para corriente continua de Faust, que ha sido de la mayor importancia en el campo de instrumentos de aviación. En la medición de cantidades no eléctricas por medios eléctricos, la de temperatura fue la principal. Tanto los potenciómetros de par termoeléctricos como los puentes con detector de temperatura por resistencia, adoptados antes de la primera guerra en formas mecánicas, aparecieron en forma electrónica alrededor de 1931. Estos instrumentos estaban frecuentemente equipados con control de iniciación para que se pudieran regular las cantidades que medían, además de registrarlas. Los tacómetros eléctricos llegaron a ser de aplicación universal. Sus formas primitivas tenían generadores de corriente continua e indicadores d'Arsonval. Posteriormente se emplearon generadores de corriente alterna con instrumentos que comprendían transformadores saturables (para la corrección de tensión) e indicadores de corriente continua del tipo de rectificador. Un perfeccionamiento ulterior, consistió en la adopción de generadores de corriente alterna con indicadores que forman una combinación de motor sincrónico y mecanismo del tipo de disco de frenado. Un importante dispositivo para medida, creado para satisfacer la demanda de los aficionados a la fotografía, fue el contador de exposición, introducido en 1931, y que consiste en una célula fotovoltaica acoplada a un indicador calibrado de corriente continua en los equipos de cámara para película de alta velocidad. I- 3

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El trabajo del precursor Minorsky en 1922 fue de la mayor importancia para la aplicación de las medidas a los sistemas y procedimientos. A él se debe el primer sistema servo-realimentado con entradas de posición y dinámica. Tuvo aplicación en el timón de los buques. La tecnología que empleó en su trabajo fue después estudiada por Hazen en 1934; en efecto, a Hazen se debe la adopción de la palabra servomecanismo. Nyquist realizó un notable trabajo en este período con los amplificadores eléctricos realimentados, estableciendo el criterio de estabilidad. El principio de realimentación, que opera a base de comparar la energía de salida de un sistema con la energía de entrada, disponiendo también de una entrada de referencia y amplificando el error para iniciar la acción correctora, ha constituido una revolución en la instrumentación. Los fenómenos eléctricos son idealmente adecuados para todas las técnicas de los sistemas servo, y, en consecuencia, han fomentado aún más el predominio de la medición por medios eléctricos. En el período que siguió a la primera guerra se emplearon, cada vez más, los sistemas de medición para iniciar el control como función adicional a la indicación o al registro. La evolución del control de iniciación fue consecuencia natural de la aplicación de los indicadores. Puesto que existía un movimiento en función de la variable, era cosa sencilla reemplazar el control manual mediante la adición de un par de contactos o alguna forma de control de iniciación que tuviera ambas funciones de posición y dinámica. La consiguiente mejora del control de procesos y sistemas con respecto al control humano aceleró todavía más esta tendencia, así que ya por el año 1930 la venta de instrumentos con control de iniciación igualó a la de instrumentos con sólo indicación o registro. Aunque la tecnología de los sistemas de servomecanismos era conocida antes de la segunda guerra, casi todos los sistemas de control de este período eran de los tipos de conexión-desconexión, o proporcional, accionados por sistemas de desviación. Durante la guerra, los sistemas de servomecanismo encontraron su genuina aplicación a causa de los rigurosos requisitos de los sistemas militares, tales como el control de piezas de artillería y pilotaje automático de aviones. Desde entonces se entró en una nueva era de cambios sociales ocasionados por esta nueva tecnología. La trascendencia de este cambio ha sido descrita en la obra, ya clásica, de Wiener, Cybernetics, publicada en 1948. Con el desarrollo de circuitos con gran escala de integración permitió el perfeccionamiento de las mediciones, llegándose a lograr sistemas de medición automáticos. Actualmente ante el auge de las computadoras personales se están desarrollando placas que realizan la función de distintos instrumentos como osciloscopios, analizadores de espectro, milivoltímetros, etc.

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