El Vatímetro

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», y una bobina móvil llamada «bobina de potencial».

Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.
El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente como al voltaje, conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente alterna la deflexión es proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia real y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro y un amperímetro independientes en el mismo circuito.

Los dos circuitos de un vatímetro son propensos a resultar dañados por una corriente excesiva. Tanto los amperímetros como los voltímetros son vulnerables al recalentamiento: en caso de una sobrecarga, sus agujas pueden quedar fuera de escala; pero en un vatímetro el circuito de corriente, el de potencial o ambos pueden recalentarse sin que la aguja alcance el extremo de la escala. Esto se debe a que su posición depende del factor de potencia, el voltaje y la corriente. Así, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el vatímetro, incluso aunque ambos de sus circuitos esté cargados al borde de su límite de seguridad. Por tanto, un vatímetro no sólo se clasifica en vatios, sino también en voltios y amperios.

Los vatímetros electrónicos se usan para medidas de potencia directas y pequeñas o para medidas de potencia a frecuencias por encima del rango de los instrumentos de tipo electrodinamómetro. Los triodos acoplados se operan en la porción no lineal de sus curvas características al voltaje de red y la corriente de placa.

El rango de frecuencia de un vatímetro electrónico puede extenderse hasta los 20 megahercios usando tubos de pentodos en lugar de triodos. Las condiciones de operación de un pentodo se ajustan de forma que la corriente de placa sea proporcional al producto de una función linear del voltaje de placa y a una función exponencial del voltaje de red.

El principio en el cual el instrumento funciona es como sigue: Suponga cualquier circuito, tal como un motor eléctrico, una lámpara o un transformador, está recibiendo la corriente eléctrica; entonces la energía dada a ese circuito contado en vatios es medida por el producto de la corriente que atraviesa el circuito en amperios y la diferencia potencial de los extremos de ese circuito en voltios, multiplicados por cierto factor llamado el factor de la energía en esos casos en los cuales el circuito sea inductivo y el alternarse actual.

Tome primero el caso más simple de un circuito que absorbe energía. Si un electrodinamómetro, hecho como esta descrito arriba, tiene su circuito fijo conectado en serie con el circuito que absorbe energía y su bobina móvil (herida con el alambre fino) conectada a través de los terminales del circuito, después una corriente atravesará la bobina fija, y una corriente atravesará la bobina alta de la resistencia del vatímetro proporcional a la diferencia potencial en los terminales del circuito. La bobina movible del vatímetro se suspende normalmente de modo que su eje sea perpendicular al de la bobina fija y sea obligado por la torsión de un resorte espiral.

Cuando las corrientes atraviesan las dos bobinas, las fuerzas se atraen en la acción que obliga a las bobinas que fijen sus hachas en la misma dirección, y estas fuerzas se pueden oponer por otro esfuerzo de torsión debido al control de un resorte espiral regulado moviendo una cabeza de la torsión en el instrumento.

El esfuerzo de torsión requerido para sostener las bobinas en su posición normal es proporcional al valor medio del producto de las corrientes que atraviesan dos bobinas respectivamente, o al valor medio del producto de la corriente en el circuito que absorbe energía y la diferencia potencial en sus extremos, es decir, a la energía tomada por el circuito.

Por lo tanto esta energía se puede medir por la torsión que se debe aplicar al trabajo movible del vatímetro para sostenerlo en la posición normal contra la acción de las fuerzas que tienden para desplazarla.

El vatímetro se puede por lo tanto calibrar para dar las lecturas directas de la energía contada en los vatios, tomados en el circuito; por lo tanto su nombre, vatímetro. En esos casos en los cuales el circuito absorbente de energía sea inductivo, la bobina del vatímetro conectado a través de los terminales del circuito “powerabsorving” debe tener una inductancia excesivamente pequeña, una corrección considerable puede llegar a ser necesaria.

Por lo tanto un vatímetro electrodinámico, aplicado para medir la corriente eléctrica tomada en un circuito al emplear corrientes alternas da lecturas absolutamente correctas solamente en el caso cuando el circuito potencial del vatímetro y el circuito tienen inductancias insignificantes, y cuando los mismos dos circuitos tienen constantes de tiempo iguales. Si estas condiciones no se satisfacen, se asume que el vatímetro puede haber sido calibrado con las corrientes continuas, pueden ser demasiado altas o demasiado bajas cuando se están utilizando las corrientes alternas.

Para que un vatímetro sea conveniente para la medida de la energía tomada en un circuito inductivo es necesario que ciertas condiciones de la construcción deben ser satisfechas. El marco y el caso del instrumento deben ser corrientes de Foucault totalmente no-metálicas, otras corrientes inducidas harán fuerzas que no permiten actuar sobre la bobina movible. Otra vez el circuito de la desviación debe tener inductancia cero y la bobina de serie o actual se debe herir o construir con el alambre de cobre trenzado, cada filamento debe ser de seda cubierta, para prevenir la producción de las corrientes de Foucault en la masa del conductor.

Los Vatímetros de esta clase fueron ideados por J. A. Fleming, Kelvin y W. Duddell y Mather. W. E. Sumpner, sin embargo, se han ideado formas de vatímetros del dinamómetro, y ha definido las condiciones bajo las cuales estos instrumentos están disponibles para las medidas exactas.

Hay métodos de medir corriente eléctrica por medio de los voltímetros electrostáticos, o de electrómetros del cuadrante adaptados para el propósito, que cuando está empleado también se puede usar los vatímetros electrostáticos. Si los cuadrantes de un electrómetro están conectadas con los extremos de un circuito no inductor en serie con el circuito que absorbe energía, y si la aguja está conectada con el extremo de este último circuito opuesto a el en las cuales la resistencia inducción esté conectada, después la desviación del electrómetro será proporcional a la energía tomada en el circuito, puesto que es proporcional al valor medio (AB) de IC3/4 (A+B)~, donde están los potenciales A y B de los cuadrantes y C es la de la aguja. Esta expresión, sin embargo, mide la energía tomada en el circuito que absorbe energía. En el caso del método del voltímetro de medir energía ideado por W. E. Ayrton y W. E. Stimpner en 1891, fue un voltímetro electrostático empleado para medir la caída del potencial VI de cualquier circuito inductivo en el cual se desee.

La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un vatímetro, un instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su bobina fija dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante de la bobina móvil depende tanto de la corriente como del voltaje y puede calibrarse directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la corriente.