Galvanometros: electromecanismos de los instrumentos analógicos

En la industria existen actualmente una gran cantidad de instrumentos eléctricos de aguja capaces de medir los parámetros más variados: corriente, voltaje, temperatura, presión, etc. Desde el punto de vista puramente externo (lo que podemos observar si nos acercamos a un panel donde están dichos instrumentos de medición, como el presentado en la figura todos ellos presentan ciertas características en común: constan de una escala graduada en las unidades correspondientes y de una aguja indicadora mediante la cual podemos realizar la lectura de la variable en un momento dado.

Un galvanómetro es un dispositivo electromecánico en el cual se produce un par útil como resultado de la interacción entre una corriente eléctrica, que pasa por la bobina del instrumento y del campo magnético existente en el medio ambiente de la bobina. Existen muchos tipos diferentes de galvanómetros, en este caso estudiaremos los de bobina móvil, electrodinámicos y de hierro móvil.

Las propiedades más destacadas de este movimiento son las siguientes:

· Muy bajo consumo de potencia.

· Requiere de baja corriente para la deflexión a plena escala (Ifsd).

· La operación del instrumento está relativamente libre de efectos de campos magnéticos parásitos.

· Escala uniforme.

· Amplio margen de sensibilidad.

· Características dinámicas que permite una rápida velocidad de respuesta a un cambio dado en la corriente, y la capacidad de ser amortiguado críticamente.

· Bajo costo

Galvanómetro de bobina móvil o D´Arsonval

La operación de este dispositivo se basa en la interacción de una corriente eléctrica DC y un campo magnético fijo.

 Partes básicas:

- 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 la bobina.

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

Principio de funcionamiento:

Al circular una corriente a través de la bobina, se produce un campo magnético que interacciona con el producido por el imán permanente, originando una fuerza, la cual da lugar a un torque que hace girar la bobina en un sentido determinado. El movimiento de la bobina está compensado por el resorte. La constante de dicho resorte determina el ángulo girado de la bobina para una corriente dada.

Una vez definidas la magnitud del campo magnético, la constante del resorte y la disposición más adecuada de los elementos, el ángulo que gira la bobina móvil (y por lo tanto la aguja indicadora) es proporcional a la corriente I que circula por el galvanómetro.

Características y aplicaciones

La inmensa mayoría de los instrumentos indicadores de aguja empleados en instrumentos analógicos, se basan en el principio de operación explicado, utilizándose una bobina suspendida dentro del campo asociado a un imán permanente. Los métodos de suspensión empleados varían, lo cual determina la sensibilidad del instrumento, así cuando la suspensión se logra mediante una cinta metálica tensa, puede obtenerse deflexión a plena escala con solo 2 μA, pero el instrumento resulta extremadamente frágil, mientras que el sistema de "joyas y pivotes", semejante al empleado en relojería, permite obtener un instrumento más robusto pero menos sensible que el anterior, en los cuales, típicamente se obtiene deflexión a plena escala, con 50 μA. Siendo esta corriente, la sensibilidad del instrumento y la máxima que se puede pasar por este sin que se queme.

Este instrumento es apto para corriente continua, ya que de aplicar corriente alterna, ya que la aguja indicadora estaría cambiando de sentido en función de la frecuencia de la corriente y el sistema quedaría en la posición de cero.  La aguja indicadora se desplaza sobre una escala adecuada, cuyo torque se efectúa en base a la corriente que circula, lo cual hace que este instrumento se lo pueda utilizar para medir corrientes o tensiones con los aditamentos necesarios para limitar la corriente al valor máximo que pueda soportar la bobina, con el agregado de resistencias en serie (voltímetros) o en paralelo (amperímetros).

Galvanómetro electrodinámico o electrodinamómetro

El electrodinamómetro se utiliza en voltímetros y amperímetros de CA muy exactos, también se pueden ver ampliamente en vatímetros, varímetros y  cosímetros. El par producido en este instrumento procede de las fuerzas magnéticas entre bobinas que conducen corrientes, una de las cuales es giratoria. Puede pensarse, cualitativamente, que es un galvanómetro de D’Arsonval cuyo imán permanente ha sido reemplazado por un electroimán. Una bobina fija, dividida en dos porciones, produce el campo en el volumen que ocupa la bobina móvil. El montaje completo está rodeado por un blindaje laminado para proteger el instrumento de los campos magnéticos exteriores que puedan afectar su operación.

El electrodinamómetro presenta ciertas desventajas. Una de ellas es su alto consumo de energía, como consecuencia directa de su construcción. La corriente medida, además de circular por la bobina móvil debe proporcionar el flujo de campo. Para obtener suficiente campo magnético fuerte, se requiere una alta fmm (fuerza magnetomotriz) y la fuente debe suministrar corriente y potencia altas. La densidad de flujo baja de un electrodinamómetro afecta de inmediato el par producido y, por lo tanto, la sensibilidad del instrumento es generalmente muy baja.

Galvanómetro de hierro móvil

El par que se produce en un instrumento de hierro móvil procede de las fuerzas magnéticas que ejerce el campo producido por una bobina fija sobre un hierro móvil. Cuando pasa corriente por la bobina se produce una fuerza sobre el elemento móvil de hierro. La autoinducción de la bobina y, por lo tanto, su energía almacenada cambia a causa de un movimiento del elemento.

La figura muestra un simple instrumento de hierro móvil, tipo émbolo. El émbolo de hierro puede girar alrededor de un eje, contenido por un muelle espiral. La corriente alterna i en la bobina fija produce una fuerza sobre el hierro, que tiende a introducirlo en la bobina, cualquiera que sea el sentido de i. Un indicador unido al émbolo indica su situación angular directamente en una escala, cuando se consigue el equilibro entre el par medio aplicado y el par recuperador que produce el muelle.

Este tipo de galvanómetro resulta adecuado para medir señales (corriente o voltaje) de cd como de ca hasta frecuencias de 1250Hz. Constituyen la forma más económica de medidor disponible.