Trabajo de instrumentación undustrial

8/19/2019 Trabajo de instrumentación undustrial

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INSTRUMENTACION Y MEDICIONES

DISEÑO DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA ANALÓGICO

DIEGO ALONSO BUITRAGO CODIGO 3132689

MARIA CAMILA MORA

MONICA VICTORIA MUÑOZ VALENCIA

COD 1 110 496 866

GRUPO: 201455_18

TUTOR – DIRECTOR:

SAULO ANDRES GOMEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

INSTRUMETNACION Y MEDICIONES

SEPTIEMBRE 2015


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INTRODUCCION

En el siguiente documento se encuentra registrado el análisis y diseño de 3instrumentos de medición analógicos: voltímetro, amperímetro y óhmetro para unasescalas y valores determinados de voltajes, intensidades y resistencias. Se encuentranlos cálculos teóricos para cada uno, así como el esquema del circuito y la descripciónde su funcionamiento. De igual forma, se pueden apreciar las simulaciones en Proteuspara verificar los resultados.


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OBJETIVOS

- Conocer funcionamiento del Galvanómetro de D’Arsonval

- Implementar un amperímetro, voltímetro y ohmímetro empleando galvanómetro deD’Arsonval.

- Realizar todos los cálculos teóricos de los diseños del voltímetro, Amperímetro yÓhmetro.

-Afianzar los conocimientos previos sobre los instrumentos de medidas analógicos y

sus particularidades


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DISEÑO DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA ANALÓGICO

MARCO TEORICO

El proceso de medición generalmente requiere el uso de un instrumento comomedio físico para determinar la magnitud de una variable. Los instrumentos constituyenuna extensión de las facultades humanas y en muchos casos permiten a las personasdeterminar el valor de una cantidad desconocida la cual no podría medirse utilizandosolamente las facultades sensoriales. Por lo tanto, un instrumento se puede definir así:dispositivo para determinar el valor o la magnitud de una cantidad o variable. Uninstrumento electrónico puede ser un aparato relativamente útil, como lo son elvoltímetro, amperímetro, etc.

Los amperímetros se conocen como el dispositivo que mide corriente, se conectan enserie con el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se desea medir laintensidad de corriente

En electrónica es una carga resistiva a través de la cual se deriva una corrienteeléctrica. Generalmente la resistencia de un shunt es conocida con precisión y es

utilizada para determinar la intensidad de corriente eléctrica que fluye a través de estacarga, mediante la medición de la diferencia de tensión (voltaje) a través de ella,valiéndose de ello por medio de la ley de Ohm (I = V/R).El shunt típico, consiste en unao más tiras de aleación de resistencia soldadas a bloques termínales de latón

Sensibilidad del Voltímetro

La sensibilidad de un voltímetro se expresa de acuerdo con el número de ohmios porvoltio, es decir, la resistencia del instrumento. . Mientras mayor sea este número,menor efecto de carga tendrá el instrumento sobre la medición. Para que un voltímetro

sea preciso, debe tomar una corriente insignificante del circuito y esto se obtienemediante alta resistencia

Se usan varios y diferentes principios esenciales en el funcionamiento de losinstrumentos analógicos. El más básico es el instrumento de D’Arsonval, el que utiliza

la fuerza ejercida (torque) entre el campo magnético de un imán permanente y el flujode corriente en un bobinado de alambre. Este torque es equilibrado por la fuerza de unresorte, y para cada valor diferente de corriente circulante por su bobinado, habrá una


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posición definida del indicador o aguja fijada a la parte móvil. En un instrumento real, elbobinado de alambre se fabrica lo más liviano posible y sus tamaños van desde 6 x 9mm a 25 x 12 mm. La bobina se montará sobre apoyos de bajo rozamiento dispuestaen el centro de un potente campo magnético (proveniente de un imán permanente). Losdos resortes con forma de espiral sirven, además, como conexiones para transportar la

corriente desde y hacia el bobinado.El instrumento de D’Arsonval responde esencialmente a la corriente que circule a

través de su bobina. Básicamente es un amperímetro o, con más precisión, un microamperímetro o miliamperímetro, ya que sus lecturas a plena escala pueden estar en elorden de 50 microamperios a 50 mili amperes, dependiendo ello de su diseño yconstrucción.En los instrumentos de D’Arsonval, la desviación de la aguja es directamente

proporcional a la corriente que fluye por su bobina siempre que el campo magnéticosea uniforme y la tensión del resorte sea lineal. Sólo en este caso, la escala de medida

será lineal. Para asegurarse que un instrumento de este tipo pueda responderproporcionalmente a las fuerzasque surgen por el pasaje de corriente a través de su bobina móvil será necesariomantener al mínimo posible las fricciones que se opongan a dicho movimiento.Se usan los instrumentos de D’Arsonval como componente de muchos otros tiposde instrumentos de medida.Resulta el dispositivo básico para la transformación de una medida eléctrica en unaindicación o lectura sobre una escala graduada. Los óhmetros y voltímetrosanalógicos usan miliamperímetrosde D’Arsonval en conjunto con circuitos eléctricos y electrónicos, diseñados para darle

al instrumento las características de medición deseadas.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En general los galvanómetros utilizan la corriente a detectar para producir un efectoelectromagnético en su sistema indicador, de tal forma que al pasar dicha corriente semueva una aguja e indique el paso de la misma.

Si se hace pasar corriente por una bobina, se crea alrededor un campo magnético, elcual es reforzado por el campo del imán. Esto trae como consecuencia que la bobinagire y con esta la aguja se desplaza a lo largo de la escala, simultáneamente el resortecomienza a deformarse originando una fuerza que se opone al movimiento de rotaciónde la bobina.Cuando las fuerzas de rotación de la aguja y el resorte se igualan (movimientoantagónico), la aguja se detiene, indicando así el valor sobre la escala. La indicación depende de la posición del ángulo de giro.


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Este tipo de galvanómetro solo sirve para corriente continua, ya que al invertir lacorriente, también se invierte el sentido de la aguja.

De este instrumento se derivan la construcción de los amperímetros y voltímetros paracorriente continua, para lo cual se le adiciona una resistencia en paralelo o en serie

respectivamente.El ángulo de desviación de la bobina es proporcional al momento del resorte, es decirmientras más gire la bobina mayor será la oposición del resorte¨.

DESARROLLO

GALVANOMETRO DE D´ARSONVAL

La operación de este dispositivo se basa en la interacción de una corriente

eléctrica DC y un campo magnético fijo.

Para su implementación utilizamos elementos básicos como

- Una bobina móvil, a través de la cual circula la corriente DC.

- Un imán, que produce el campo magnético fijo.

- Un resorte, cuya función es servir de mecanismo equilibrador de la rotación de labobina.

- Una aguja indicadora sujeta a la bobina móvil y una escala graduada mediante lascuales podemos realizar la lectura.

Análisis de su funcionamiento:


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Al circular la corriente I a través de la bobina, se produce un campo magnéticoque interacciona con el producido por el imán permanente, originando una fuerza F, lacual da lugar a un torque que hace girar la bobina en un sentido determinado. Elmovimiento de la bobina está compensado por el resorte. La constante de dicho resortedetermina el ángulo girado de la bobina para una corriente dada. Una vez definidas la

magnitud del campo magnético B, la constante del resorte y la disposición másadecuada de los elementos, el ángulo que gira la bobina móvil (y por lo tanto la agujaindicadora) es proporcional a la corriente I que circula por el galvanómetro.

AMPERIMETRO

VOLTIMETRO

OHMETRO

CÁLCULOS Y SIMULACIONES

MATERIAL REQUERIDO

1. GALVANOMETRO DE D’ARSONVAL

2. FUENTE DE PODER

3. PROTOBOARD

4. RESISTENCIAS VARIAS

5. MULTIMETRO DIGITAL

6. SOFTWARE DE SIMULACIÓN PROTEUS

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

2. Diseñe un voltímetro de cd multirrango empleando un galvanómetro deD’Arsonval son escalas de medición de voltaje: 0-10Vdc; 0-20Vdc; 0-50Vdc.

VOLTÍMETRO

Para su diseño, debe tenerse en cuenta el concepto de galvanómetro que es uninstrumento que indica el paso de pequeñas corrientes eléctricas por un circuito yutilizado para la medida precisa de su intensidad. Su funcionamiento es basado enfenómenos magnéticos. Produce la deflexión de una aguja cuando a través de élcircula una corriente continua, proporcional a la magnitud de la variable que se está


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midiendo. De igual forma, se aplica el divisor de voltaje en donde el voltaje de salidadepende de la resistencia de la carga que alimenta.

Se deben conocer los valores de la corriente máxima que debe circular por elgalvanómetro para que la aguja de su máxima deflexión, para realizarlo se sigue el

procedimiento de conectar en serie al galvanómetro un potenciómetro y aplicar unvoltaje DC de 10V, se ajusta el potenciómetro hasta que la aguja de su máximadeflexión, se conecta en serie a este circuito un amperímetro y se mide la corriente.

Corriente galvanómetro= 30mA Se convierten a Amperios para utilizar las unidadesde medida en el mismo grado=0.03A

Resistencia Interna Galvanómetro Rg: 3.5Ω.

Teniendo en cuenta el divisor de voltaje en serie, para hallar la Rs se aplica la fórmula:

=

−

, donde Rs = Resistencia de derivación

Vd= Voltaje de diseño o máxima escala

Im= Intensidad máxima de deflexión

Rg= Resistencia Interna del Galvanómetro

Para construir el voltímetro con base en un galvanómetro, es necesario conectar en

serie con ellos una resistencia de alto valor o multiplicadora (Rs o de derivación) quepuede ser calculada al conocer la resistencia Interna de nuestro galvanómetro (Rg) y lacorriente que se necesita para producir la desviación de la escala del instrumento demedición. El circuito entonces va formado por estos elementos de la siguiente manera:

Para la práctica se solicitan las siguientes escalas de medición:

0-10Vdc

1 =10v − 3,5Ω. 30mA

30mA


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1 =10V − 105ΩmA

30mA

1 =−95ΩmA

30mA

1 = −3,16Ω

0-20Vdc

1 = 20v − 3,5Ω. 30mA30mA

1 =20v − 105ΩmA

30mA

1 =−85ΩmA

30mA


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1 = −2,83Ω

0-50Vdc.

1 =50v − 3,5Ω. 30mA

30mA

1 =50v − 105ΩmA

30mA

1 =−55ΩmA

30mA

1 = −1,83Ω


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DISEÑO DE AMPERIMETRO DC CON DERIVACION DE AYRTON

Diseñar e implementar un amperímetro de dc con derivación de Ayrton, paraescalas de corriente de 10 mA. 100 mA, 1 A. Empleando un galvanómetro deD’Arsonval.

Para el diseño del amperímetro es importante calcular la Resistencia de derivación (Rs)

y tener en cuenta los valores de:

Im= Intensidad máxima de deflexión

Rg= Resistencia interna del galvanómetro

I= Máxima corriente a medir que será el límite de la escala ( Este valor debe ser mayora la Im)

De igual forma, que la corriente que se busca medir, es menor que Im (Intensidadmáxima de deflexión). La aguja se deflectará hasta la división correspondiente donde

se ha posicionado la aguja.

- Este diseño se basa en un divisor de corriente.


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En el nodo A la corriente i se divide en dos:

i1 e i2. Por ley de Kirchhoff se tiene que cumplir:i = i1 +i2

También decimos que VAB = i1R1 = i2R2

Partiendo de lo analizado anteriormente en las dos ecuaciones podemos deducir lassiguientes relaciones:

I =R2

R1 + R2I

I =R1

R1 + R2I

Para diseñar el amperímetro capaz de medir corrientes de una escala, debe conectarseal galvanómetro una resistencia para que cuando la corriente del instrumento sea I la

que circule por el galvanómetro sea la Im.

= ∗

−

Los valores obtenidos del galvanómetro para Im y Rg serán g=3.5Ω y m=30

De esta manera se reemplazan los valores y se realiza el cálculo correspondiente acada escala solicitada.

10mA

1 = 3,5Ω . 0,03mA0,01mA − 0,03mA

1 =0,105Ω/mA

−0,02mA = −5,25Ω


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100mA

1 =3,5Ω . 0,03mA

0,1mA − 0,03mA

1 =0,105Ω/mA

0.07mA = 1,5Ω

1A. = 1000mA

1 =3,5Ω . 0,03mA

1A − 0,03mA


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1 =0,105ΩmA

0,97mA = 0,108Ω

ÓHMETRO

- Diseñe un ohmetro empleando galvanómetro de D’Arsonval, realice la mediciónde resistencias de 1KΩ, 3.3KΩ, 6.8KΩ, 10KΩ; compare los resultados de la

medición con el valor obtenido al medirse con multímetro digital y con el códigode colores.

Es importante conocer que un ohmímetro es un dispositivo de medición, que ayuda alocalizar circuitos abiertos o cortocircuitos brindando el valor de la resistencia. Así escomo se logra detectar el valor de la resistencia aun sin cálculos.

El ohmímetro está diseñado para medir la continuidad de un circuito en ohmiosperimiendo obtener datos sin necesidad de realizarlo de manera manual, este esconfigurado en serie y derivación

Para su diseño, debe tenerse en cuenta que la resistencia es un elemento pasivo, porello se hace necesario que el instrumento contenta un elemento activo capaz deproducir una corriente que pueda detectar el galvanómetro incluido en él. Y que la


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intensidad debe ser menor que Im porque se dañaría el instrumento. Se debe tener en

cuenta el siguiente circuito básico, donde:

E= (Ri+R)Im

R=E/Im-Ri

Ri=Rg( Resistencia interna del galvanómetro) = 20Ω

Im = Intensidad máxima de deflexión= Valor fijo, 5mA

Para hallar Rx , se debe revisar la malla y despejar el término

- ( + + ) =

=

+ +

= + +

= − −

=

− ( + )

Para la resistencia de 1KΩ

Se aplica, primero =

−

=5

0.05 − 20Ω = 80Ω

Luego, se halla la intensidad

=5

1000Ω + 80Ω + 20Ω=

5

1100Ω= 0.004


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En este paso, es donde la intensidad debe ser menor que Im =5mA

=

− ( + )

=

5

0.004 − (20Ω + 80Ω)

= 1000,1Ω~1Ω

Para la resistencia de 3.3 KΩ

Se aplica, primero =

−

=5

0.05 − 20Ω = 80Ω


=5

3300Ω + 80Ω + 20Ω=

5

3400Ω= 0.001470588


=

− ( + )

=5

0.001470588

− (20Ω + 80Ω)

= 3300,00Ω~3.3Ω

Para la resistencia de 6.8KΩ

Se halla la intensidad

=5

6800Ω + 80Ω + 20Ω=

5

6900Ω= 0.000724638


=

− ( + )

=5

0.000724638 − (20Ω + 80Ω)

= 6799.99Ω~6.8Ω


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Para la resistencia de 10KΩ


=5

10000Ω

+ 80Ω

+ 20Ω

=5

10100Ω

= 0.000495050


=

− ( + )

=5

0.000495050 − (20Ω + 80Ω)

= 9999.98Ω~10Ω


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CONCLUSIONES

-El galvanómetro de d´arsonval es un instrumento capaz de medir magnitudescomo corriente en escalas muy pequeñas, por ello se convierte en base para el diseñoy construcción de otros instrumentos como el voltímetro, amperímetro y óhmetro.

- los instrumentos tienen campos específicos de aplicación.

-se afianzan los conceptos sobre los instrumentos de medición y sus principios deaplicación.


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REFERENCIAS

-Solé, A. C. (2012). Instrumentación Industrial. 6ª. Edición. Mar combo, S.A.

-Ortegon Jairo. (2009). Módulo: “Instrumentación y Mediciones”. UNAD.http://datateca.unad.edu.co/contenidos/201455/Instrumentacion_AVA/2014 55.pdf

Capítulo V. El Galvanómetro de D`Arsonval. (s.f). Recuperado el 15 de setiembrede2015dehttp://www.labc.usb.ve/paginas/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Teorica/Cap5.pdf

Capítulo VI. Amperimetro, Voltimetro, Ohmetro y Multimetro. (s.f). Recuperado el 15 deseptiembre de 2015 dehttp://www.labc.usb.ve/paginas/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Teorica/Cap6.pdf

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