31 octubre 2012

Descripción de las técnicas disponibles para medir la corriente eléctrica (1ª PARTE)




En este nuevo artículo destinado al estudio de la energía eléctrica nos centramos en la descripción de los tipos principales de sensores actualmente disponibles para medir la corriente eléctrica. Cualquier sensor de campo magnético puede ser usado como sensor de corriente y hay algunos ejemplos exóticos, tales como los de efecto quantum en superconductores de baja temperatura usados para medir corrientes en neuronas dentro del cerebro. En este análisis nos centramos en la medición de las corrientes en conductores con dispositivos prácticos comercialmente.

Un sensor de corriente aislado está libre de cualquier conexión metálica al circuito que se está midiendo. También está esencialmente libre de acoplamiento capacitivo así que es seguro usarlo con amplificadores puestos a tierra y otros equipos. La calidad del aislamiento se mide en voltios y usualmente se refiere al potencial de descomposición de un aislamiento. 5 kV es típico para la seguridad del personal en la industria.

El convertidor de corriente-a-voltaje más simple es la resistencia. En dispositivos de medición de corriente, se denomina shunt aunque típicamente está situado en serie con la carga. Esto es debido a que los shunts a veces se usan para incrementar el rango de otro dispositivo de medición de corriente usando una conexión que realiza un bypass de la corriente alrededor del medidor. La respuesta de frecuencia de un shunt es buena e incluye corriente continua. Los shunts producen una salida de voltaje que puede ser presentada por una gran variedad de medidores secundarios, incluyendo medidores analógicos, medidores digitales, osciloscopios, y convertidores de 4 – 20 mA. Los shunts no proporcionan aislamiento y tienen un efecto potencialmente no aceptable en el circuito que se está midiendo. Los shunts usados en corriente continua son tan exactos como la resistencia y el voltímetro asociado.

El common moving-coil meter, el movimiento D´Arsonval, probablemente con un shunt y/o rectificador, es un dispositivo fácilmente usado. Su aislamiento es a simple vista, ya que es la única forma de leer el resultado. Es útil para paneles de potencia donde un operador necesita datos rápidos. La exactitud no es mejor que el 2 %.

Para frecuencias de potencia, servicios de 25 Hz a 400 Hz, se emplea habitualmente el transformador de corriente, denominado transformador donut o CT. El conductor transportando corriente pasa a través del hueco en un toroide de material magnético. Un devanado secundario acortado de n vueltas transporta corriente, que es 1/n veces la corriente medida, y típicamente pasa a otro amperímetro o es usado como entrada de corriente a un dispositivo de medición de potencia. El aislamiento es tan bueno como el aislamiento en el conductor primario; la respuesta de frecuencia es buena pero no incluye corriente continua; hay mínimo efecto en el circuito medido, y el coste es bajo. La seguridad operacional es también un problema.

Una variedad de sensores sin contacto está disponible para sensores DC. La mayoría dependen del efecto Hall y todos requieren una fuente de potencia de operación. La respuesta de frecuencia desde DC a 200 kHz es aconsejada. Debido a que está disponible potencia de operación, la salida para un procesado posterior puede ser voltaje, corriente, o digital. La exactitud depende de lo que se desee pagar. La estabilidad a largo plazo depende de los amplificadores operacionales de corriente continua y pueden exhibir drift cero. Externamente, esto parece como CTs.

CTs, dispositivos Hall, y otros esquemas sin contacto similares están disponibles en forma envolvente de forma que pueden ser instalados sin desconectar potencia.

El proceso envolvente siempre implica romper una trayectoria magnética, y la consistencia de montaje llega a ser un límite de precisión.

Sensores magnéticos

Los sensores de corriente magnética tienen ventajas sobre los shunts. Para comprenderlos, hay que profundizar en la interacción entre corrientes y campos magnéticos. Siguiendo a Maxwell, es conveniente describir los efectos magnéticos en términos de dos campos de vectores, B y H. H es el campo creado por una corriente eléctrica, y B es el campo que actúa como una carga en movimiento o un conductor transportando corriente. B y H están relacionados por características del material en el que coexisten. Estrictamente hablando, B es la densidad de flujo y H es el campo. H es el campo creado por una corriente eléctrica, y B es el campo que actúa en una carga móvil o un conductor transportando corriente. B y H están relacionados por las características del material en

Las unidades SI de B y H son el tesla (T) y el amperio por metro (A m-1). Para convertir de gauss a tesla, dividimos por 104. Para convertir de oersted a amperios por metro, multiplicamos por 1000/(4Π), un número que es comúnmente aproximado a simplemente 80; pero estrictamente hablando, las unidades de H en los dos sistemas son dimensionalmente diferentes y no pueden ser convertidas.
La relación entre B y H es más generalmente un tensor que refleja anisotropía espacial en el material, pero para materiales magnéticos comunes usados en el sensor de corriente, se aplica un valor escalar μ. En unidades SI, B y H tienen diferentes dimensiones físicas y no son iguales en vacío. 




La amplitud de H es proporcional a la corriente y cae lejos de la linealidad con la distancia radial del conductor. Este es el campo que hace posible el sensor de corriente sin contacto.


Un transportador de carga, un electrón en un conductor, una partícula en vacío, o un hueco en un semiconductor, moviéndose en un campo magnético es actuado en una fuerza que es perpendicular al campo y la velocidad. La magnitud de la fuerza es proporcional a la magnitud de B, la velocidad V, y el seno del ángulo entre ellos.
Un transportador, moviéndose o no, es afectado de forma similar por un campo magnético cambiante. El resultado es una fuerza electromotriz, FEM, en un bucle de conductor a través del cual pasa un flujo magnético cambiante. La FEM es igual a la tasa de cambio del flujo encerrado por el bucle con un cambio de signo. Esta es la ley de inducción de Faraday.


La mayoría de los materiales magnéticos exhiben histéresis. Esto es, la relación entre B y H depende de la historia de la H aplicada.

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