INSTRUMENTOS DE LABORATORIO Escuela de Física UCR Realizado por Marco A. Umaña, Ing. En las Ciencias Exactas, la piedra angular son los datos obtenidos a través del proceso de medición. Con la información que aportan los datos podemos tomar decisiones, podemos analizar, inferir, extrapolar, y ejecutar un sin número de acciones más. Dependiendo del contexto, de la exactitud y de la precisión, los datos que se obtengan producto de una medición diferirán unos de otros dependiendo del instrumento que se haya utilizado para hacer la medición, incluso un instrumento de la misma marca y modelo podrá registrar datos no idénticos; una posible razón puede ser que el instrumento esté no esté calibrado. También debemos tomar en cuenta que existen otras razones por las cuales los datos obtenidos no sean los correctos. El primer instrumento que vamos a estudiar es el multímetro, también llamado VOM. Este instrumento es básico y muy versátil porque es capaz de realizar muchas clases de mediciones. Por ejemplo, puede medir resistencia, capacitancia, voltaje, corriente, temperatura ( C - F), y frecuencia; es capaz de verificar el estado de diodos y medir continuidad. En los laboratorios de la Escuela de Física de la UCR, podemos encontrar tres modelos de multímetros:- BK PRECISION Modelo 2706B y EXTECH Modelo MN47 Modelo 2706, - BK PRECISION Figura 1 Multímetros
El modelo 2706A es el más antiguo pero es de mejor resolución que el 2706B cuando se mide resistencias menores a 10 ohmios (Ω). Particularmente con el modelo 2706B no es posible medir la resistencia del filamento de la lámpara de Stefan Boltzmann que es de apenas 0.4 Ω. El modelo más reciente, el EXTECH MN47 (anaranjado), funciona un poco diferente a los modelos de la BK. En los modelos BK, el usurario tiene que seleccionar el rango de medición por medio de la perilla selectora. Por ejemplo, si queremos medir una resistencia de 18000 ohmios (18KΩ) en el modelo 2706 A o B, se debe colocar la perilla en 20 K. Si se coloca la perilla en la escala de 2K, en la pantalla aparecerá OL, significa que el instrumento se ha quedado fuera del rango de medición (over load). En el multímetro EXTECH, el usuario solo debe seleccionar el parámetro que quiere medir: voltaje, corriente, resistencia, etc. El instrumento por sí solo, leerá la señal y presentará el valor correspondiente en la pantalla, esta facilidad se llama auto rango y agiliza bastante el proceso de medición. Para el óptimo manejo del multímetro es obligatorio acatar ciertas normas de seguridad, que ayudarán a preservar la integridad del instrumento. A continuación se detallan algunas de ellas: - Asegurarse de que el instrumento esté apagado cuando no esté en uso. - Asegurarse que la posición de la perilla selectora sea la correcta para el parámetro que quiere medir. - Cuando se midan voltajes o corrientes desconocidas, siempre inicie la medición en la escala más alta. - En la mayoría de multímetros, para medir magnitudes diferentes de corriente, es necesario cambiar la clavija a un receptáculo distinto con el que se miden los otros parámetros. De hecho, para medir corriente se tienen dos clavijas, una para mili amperios (ma) que usualmente tiene un límite máximo de 200 ma (con fusible) y la otra de un limite máximo superior de 10 amperios (A), este es el caso para el modelo BK 2706A, el modelo 2706B solo tiene la capacidad de medir en escala máxima 200 ma de corriente directa. Para el modelo MN47 EXTECH, solo se cuenta con un receptáculo diferente para corriente máxima de 10 amperios. En un solo receptáculo es capaz de medir diferentes parámetros, incluso corriente hasta los 400 ma., el doble del modelo 2706A de BK Precision. - Cuando se quiera medir resistencia, capacitancia, o el estado de un diodo, los componentes NO deben de estar formando parte de un circuito, ambas terminales
deben están libres de conexiones. - Para medir temperatura existe un dispositivo especial llamado termopar. Basta con colocarlo en el receptáculo correspondiente y listo. El multímetro tiene dos escalas, C y F. Figura 2. Escalas del BK Precision Modelo 2706A - Un aspecto muy importante cuando se miden voltajes con el multímetro BK 2706A o 2706B, es que se debe colocar la perilla en la escala correcta si ha de medirse corriente alterna o corriente directa. En el 2706A es un simple interruptor. En el 2706B existe una escala diferente para cada caso. Recuerde también que, un voltaje alterno varía en el tiempo, pero la medición que realice con su VOM será siempre un valor RMS (root median square). - El modelo BK 2706A tiene una forma particular de medir la capacitancia. Es necesario contar con dos alambres pequeños, no muy grandes para conectarlos en los micro-receptáculos de la parte superior derecha (los extremos).
Figura 3. Escalas del BK Precision Modelo 2706B Figura 4. Escalas del EXTECH MN47
Ya hablamos de instrumentos que sirven para hacer mediciones, ahora repasaremos instrumentos que generan señales variantes en el tiempo y fuentes de voltaje de corriente directa. La herramienta para generar señales variantes en el tiempo es el generador de funciones, en el laboratorio de Física General III solo tenemos el modelo de la BK Precision. Figura 5. Generador de Funciones El manejo que le vamos a dar en el laboratorio es básico, casi sólo utilizaremos las dos controles inmediatamente a la izquierda en la parte inferior que son el ajuste grueso y fino de la frecuencia, así como los botones en la fila superior que solo los límites de los rango de frecuencia. Esto es, si necesitamos generar una onda de 75 Hz, debería presionarse el botón inmediatamente superior a esa frecuencia para que esté dentro del rango que se quiere generar. Es posible generar la misma frecuencia de 75 Hz si estamos en la escala de 1kHz, lo que sucede es que al momento de ajustar la frecuencia nos va a resultar un poco más difícil hacerlo con buena precisión, por lo tanto lo más recomendable es ajustar el generador de señales al rango inmediatamente superior. Los otros tres botones en la parte superior derecha son para escoger el tipo de onda que se desea generar. Por último, la perilla de OUTPUT LEVEL es la que nos dará la amplitud de la señal generada. Es posible que aunque la perilla esté girada totalmente a la izquierda se logre medir un voltaje mínimo a la salida del generador. El resto de botones y perillas deben de estar en la posición de apagado o giradas completamente a la izquierda, no se utilizan en el laboratorio.
Las fuentes DC que se tienen en este laboratorio son de tres marcas: ESCORT, BK PRECISION y EXTECH. Solo la primera tiene indicadores analógicos, las otras dos tiene indicadores digitales tanto para voltaje como corriente. Figura 6. Fuente DC Dual ESCORT Figura 7. Fuente DC BK Precision 1735A
Figura 8. Fuente DC Extech 382213 El manejo de las fuentes es muy básico y simple, pero si de cuidado para evitarle daños. REGLAS PARA SU USO - La regla número 1 es: Antes de encenderla verifique que las perillas de corriente y voltajes estén giradas a la izquierda. - apague la fuente antes de hacer cambio de componentes en un circuito. - Es altamente recomendable que utilice cables de color rojo, azul o amarillo para salir del borne positivo, y cables de color negro, verde o blanco para regresar al borne negativo de la fuente. En algunos experimentos se necesita controlar el voltaje y en otros la corriente, esto significa que debemos tener un balance entre ambos parámetros. Se puede dar el caso de que giremos la perilla del voltaje para aumentar el nivel de salida de DC, y una luz roja de advertencia se enciende en la carátula del instrumento, esto puede significar dos cosas: - se está dando un corto circuito en la fuente, ó - que no llega suficiente corriente al circuito. Necesitamos identificar cuál de las situaciones mencionadas es, si fuese la
segunda alternativa, basta girar la perilla respectiva un poco hacia la derecha para que el problema desaparezca. Por último tenemos los componentes pasivos como resistencias y capacitancias. El laboratorio cuenta con cajas de sustitución para resistencias y capacitancias. Figura 9. Cajas de Sustitución de Resistencias y Capacitancias
La recomendación primera es que mida con el multímetro los valores de las capacitancias o resistencias que va a utilizar en el experimento. Por mal manejo del equipo muchos componentes se han dañado, suele suceder que un experimento no funciona como debe de ser y es a causa de resistencias o capacitancias quemadas por exceso de corriente o voltaje. Tenga el cuidado al momento de hacer estas mediciones, de que todos los interruptores estén en la posición de apagado. Si su lectura no es cercana a cero, podría indicar que la caja esté con algún daño. El funcionamiento de las cajas de sustitución EXTECH es contrario a las cajas metálicas celestes de PIPPS & BIRD. Para conectar un capacitor o resistencia a los bornes en estos últimos, el interruptor debe estar hacia arriba, mientras que, en los EXTECH, se hace hacia abajo. En algunos experimentos (No. 6, 7, 8 y 9) se pide medir valores de los componentes, a estos valores se les llama valores reales, en comparación con los valores nominales que se muestran en las cajas. Usualmente no coinciden. Otra recomendación es medir la continuidad de los cables banana, los cables coaxiales y revisar que los sensores de voltaje no tengan pines doblados o quebrados. Si encuentran equipo defectuoso repórtenlo de inmediato al profesor para que sea apartado y llevado al personal de Apoyo a Laboratorios. *****************************************************************