Técnicas y Equipos para la Medición de Magnitudes Eléctricas en Instalaciones

4) Medida de resistencia de una toma de tierra

En las instalaciones eléctricas siempre existe el riesgo de que alguno de los conductores activos se ponga en contacto con alguna chapa metálica. En estos casos, aparece en la chapa metálica una tensión respecto a tierra que, al ser tocada por una persona, podría provocar una electrocución. Para evitarlo, es imprescindible que la resistencia de la toma de tierra sea lo más baja posible.

El valor de la resistencia a tierra depende fundamentalmente de la naturaleza del terreno, de los electrodos utilizados y de la calidad del contacto entre el electrodo y el terreno. Una vez realizada la toma a tierra, hay que medir su resistencia para comprobar si su valor óhmico se encuentra según lo requerido para evitar accidentes.

Los valores que se recomiendan para la resistencia de tierra, según el uso que se le vaya a dar, son:

• Edificios de viviendas: 80 ohmios.
• Edificios con pararrayos: 15 ohmios.
• Instalaciones de máxima seguridad: de 2 a 5 ohmios.
• Instalaciones de ordenadores: de 1 a 2 ohmios.

Para la medida de la resistencia de tierra se usa el TELURÓMETRO: consiste en clavar una serie de picas auxiliares a una determinada distancia de la toma de tierra.

) Errores en la medida

Siempre que vayamos a tomar una medida eléctrica, nunca conseguiremos un valor exacto, ya que por causas tanto del aparato como humanas siempre hay un error.

1) Errores absolutos y relativos

Es la diferencia entre el valor leído por el aparato y el valor real de la medida:

Error absoluto = valor leído - valor real.

Para obtener el valor más próximo al real, utilizaremos un aparato de medida patrón en el laboratorio.

2) Precisión de un aparato de medida

Cuanto más preciso, más nos acercaremos a la medida real. Para ello, según su precisión, el aparato lo dividiremos en clases. Esto lo calcularemos así:

Clase = (error absoluto máximo / tensión máxima) * 100.

Cada aparato en su placa característica nos indica qué clase es dicho aparato. En el mercado existen las siguientes clases de precisión: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5. Nos ceñiremos a la precisión; es decir, si son medidas que requieran una gran precisión, utilizaremos los aparatos con clase 0,1, 0,2 o 0,5.

) Normas generales para la toma de medidas eléctricas

Antes de utilizar la medida de una magnitud eléctrica, habrá que tener en cuenta unas normas para un mejor resultado. Algunas de estas normas son:

1. No todos los aparatos miden tanto en C.C. (corriente continua) como en C.A. (corriente alterna); por ello, debemos elegir el aparato adecuado.
2. Hay que tener en cuenta el campo de medida que vayamos a medir. Por ejemplo, si cogiésemos un voltímetro de C.C. para medir la tensión de una pila, elegiríamos un voltímetro con un campo de medida de 0-5V; pero si llegásemos a coger un voltímetro con un campo de medida de 0-300V, apenas apreciaríamos la medida en la escala.
3. Cuanto más preciso es el aparato, más caro es. Así, por ejemplo, perderíamos el tiempo si utilizásemos un aparato con precisión 0,1 para la tensión en una línea de suministro eléctrico.
4. Hay que ser ordenado y tomarse su tiempo, así como ir apuntando los valores en algún formulario.
5. Hay que procurar que los aparatos no pierdan precisión (para ello, con el aparato de medida patrón se calibran de nuevo).
6. Si el aparato es de aguja, hay que tener en cuenta su posición (la cual aparece inscrita en el mismo aparato) para medir, ya que la aguja por su propio peso puede variar la medida.
7. En los aparatos analógicos tenemos que calcular cuánto vale cada división. Ejemplo: La pantalla de un voltímetro con un campo de medida de 0-500V: k = fondo de escala / número total de divisiones. Si queremos averiguar cuánto vale la medida: Medida = número total de divisiones * k.

) Instrumentos de medida analógicos y digitales

Los analógicos son aquellos que mediante una aguja nos indican la medición. En cambio, los digitales son aquellos en los cuales ya aparece directamente la medición con una cifra y son los más utilizados, ya que estos vienen con circuitos integrados y son más resistentes y precisos.

Los analógicos funcionan de la siguiente manera: la corriente pasa por una bobina que puede girar sobre un eje. Esta bobina a su vez se introduce en un campo magnético producido por un imán. La corriente a medir genera en la bobina móvil otro campo magnético que, al interactuar con el campo fijo del imán, produce una fuerza que hace que la bobina gire en un sentido determinado. Esta bobina se conecta a la aguja, la cual tiene otro muelle que contrarresta ese movimiento, el cual es proporcional al estiramiento (está calculado). La fuerza que hace girar la aguja es proporcional a la corriente a medir. Cuando las fuerzas antagonistas se igualan, se obtiene una medida representada por la aguja en la escala.

Los digitales no necesitan ningún elemento mecánico. Esto se sustituye por circuitos integrados. El resultado de la medida se representa con un display de 7 segmentos en forma de números. Sus ventajas son:

• Son más precisos que los analógicos.
• La lectura de la medida es mucho más cómoda, ya que no interpretamos nada, leemos directamente la medida.
• Son muy robustos y aguantan fuertes impactos y vibraciones sin alterar su funcionamiento (ya que no hay elementos móviles).

) Medida de intensidad de corriente

Se realiza con el amperímetro. Se conecta en serie con el circuito cuya corriente se quiere medir. Es preferible que la resistencia sea mínima, así se evitan caídas considerables de tensión en el amperímetro y consumos de potencia elevados. Para medidas de C.A. da igual la polaridad de conexión. Para C.C. hay que conectar el amperímetro como nos indique el mismo; de no hacerlo así, la aguja marcará datos negativos.

Cuando queremos medir grandes intensidades es difícil encontrar aparatos de medida adecuados; entonces se recurre a sistemas de apoyo que consiguen ampliar el alcance de medida sin cambiar el amperímetro. Para corriente continua se emplean los shunts y para C.A. transformadores de intensidad.

1) Ampliación del alcance de un amperímetro mediante shunt

Este dispositivo consiste en conectar una resistencia en paralelo con el amperímetro que consiga desviar parte de la corriente que se quiere medir. (Supongamos que disponemos de un amperímetro con un alcance de 50A y necesitamos incorporarlo a un cuadro para saber la medida de la intensidad de la corriente en un sistema de generación: alcance del amperímetro 50A, potencia instalada 6 kW y la tensión de alimentación es de 24 voltios en C.C. Esto sería igual a: Intensidad = Potencia / Voltaje, lo que nos da los amperios totales, por lo que la resistencia shunt deberá desviar 200A ya que el amperímetro solo es capaz de medir 50A).

2) Ampliación del alcance de amperímetros mediante transformadores de intensidad

Solo funcionan en C.A. Consta de dos circuitos: el primario, que se conecta en serie con la línea donde se quiere medir la corriente, y el secundario, que se conecta entre los dos extremos del amperímetro. El transformador de intensidad lo que hace es que por el circuito secundario circule una corriente más reducida y proporcional a la corriente del primario. Así se reduce considerablemente la corriente por el amperímetro.

Debemos conocer la relación de transformación para poder interpretar la medida, que es una relación entre la corriente que pasa por el primario y la del secundario (m = I1 / I2). En las placas de los transformadores de intensidad se indican los valores de la intensidad nominal del primario y del secundario, por ejemplo: 100/5A (Primario 100A, Secundario 5A).

Ventajas: Tiene la posibilidad de medir grandes corrientes con aparatos de medida de bajo alcance. Además de poder usarlos en líneas de A.T. (Alta Tensión) con aparatos de B.T. (Baja Tensión), son más sencillos y más baratos.

Nota de seguridad: Nunca se debe desconectar el amperímetro del secundario sin previamente haber cortocircuitado los bornes de aquel. Esto es porque se crean tensiones muy elevadas en el secundario que podrían afectar al usuario y al transformador. También se conecta a tierra uno de los terminales del secundario para evitar la aparición de tensiones elevadas ante un fallo de aislamiento.

) Medidas de tensión

Se realiza mediante el voltímetro. Es necesario que la resistencia del instrumento sea alta para así evitar consumos de corriente y potencias elevadas. Se conecta en paralelo.

1) Ampliación del alcance de un voltímetro mediante resistencias adicionales en serie

Se conecta una resistencia en serie con el voltímetro con el fin de conseguir una caída de tensión que haga que la tensión que aparece en bornes del voltímetro quede reducida proporcionalmente respecto a la tensión a medir.

2) Ampliación del alcance de un voltímetro mediante transformadores de tensión

Consta de dos circuitos: el primario, que se conecta entre los extremos de la línea donde se quiere medir la tensión, y el secundario, que se conecta entre los extremos del voltímetro. Esto consigue que por el circuito secundario aparezca una tensión más reducida y proporcional a la del primario. Hay que conocer la proporción para interpretar después la medida (m = Tensión 1 / Tensión 2). Los valores de tensión nominal aparecen inscritos en los transformadores, por ejemplo: 5500/110V. Por seguridad, hay que conectar a tierra uno de los terminales del secundario para evitar tensiones elevadas. Es importante conocer la potencia nominal que puede proporcionar el transformador de tensión (10, 15, 25... VA).

) Medidas de potencia

El vatímetro se puede utilizar tanto para C.C. como para C.A. Está formado por un circuito amperimétrico, el cual conectamos en serie con la línea (resistencia baja), y un circuito voltimétrico, el cual conectamos en paralelo (resistencia muy alta). En C.C., el vatímetro multiplica directamente tensión por intensidad, y en C.A., tensión por intensidad por el coseno de fi (cos φ).

Para calcular la constante, deberemos multiplicar el alcance de la tensión por el alcance de la intensidad y dividirlo entre el número de divisiones. Para aumentar el alcance en C.A. se utilizan transformadores de medida.

1) Medida de la potencia reactiva con vármetro

Es un vatímetro con inductancias o condensadores en serie con la bobina voltimétrica con el fin de desfasar 90º la tensión de la intensidad. Por ello, el aparato directamente nos calcula tensión por intensidad por el seno de fi (potencia reactiva VAR).

2) Medida de la potencia activa en C.A. trifásica

• Con cargas desequilibradas: Se utilizarán tres vatímetros que se conectarán en las fases y el neutro. La potencia activa total será el resultado de la suma de todas las potencias marcadas por los tres vatímetros.
• Con cargas equilibradas: En este caso solo utilizaremos un vatímetro y la medida que nos dé la multiplicamos por tres.
• Sistemas sin neutro (cargas equilibradas): Al no tener neutro, se conectan dos líneas adicionales Z1 y Z2 del mismo valor que la bobina voltimétrica, creando un neutro artificial. La lectura se multiplica por tres.
• Sistemas sin neutro (cargas desequilibradas): Se crea el neutro conectando los vatímetros para medir la potencia de cada una de las cargas. Se deben sumar las medidas de cada vatímetro para conseguir la potencia total.

) Medida de energía en sistemas trifásicos

La medida de energía eléctrica se lleva a cabo mediante contadores. Estos permiten realizar el producto de la potencia por el tiempo. Los más utilizados son los de inducción. Los contadores trifásicos se conectan de la misma forma que los vatímetros.

) Medida de la frecuencia

Se mide mediante el frecuencímetro. Se conecta entre los extremos de las fases de la red cuya frecuencia se quiere medir. Existen dos tipos: de lámina vibrante y de bobina móvil con convertidor interior de frecuencia a C.C. Para medidas de alta tensión, el frecuencímetro se interconecta mediante transformadores de tensión.

) Medida del factor de potencia

El aparato que mide el factor de potencia es el fasímetro, basado en sistemas de medida móvil con convertidor de ángulo de fase a C.C. de función lineal. Se conecta como un vatímetro, ya que también posee circuitos amperimétricos y voltimétricos.