El vatímetro es un instrumento que mide la potencia eléctrica activa (o el promedio de la tasa de flujo de energía eléctrica ) en vatios de cualquier circuito determinado . Los vatímetros electromagnéticos se utilizan para medir la frecuencia de los servicios públicos y la potencia de audiofrecuencia; se requieren otros tipos para las mediciones de radiofrecuencia.
Un vatímetro lee el valor medio del producto v(t)i(t) = p(t) , donde v(t) es el voltaje con polaridad de referencia positiva en el terminal ± con respecto al otro terminal de la bobina de potencial, e i(t) es la corriente con dirección de referencia que fluye hacia el terminal ± de la bobina de corriente. El vatímetro lee P = (1/T) ∫ 0 T v(t)i(t) dt , que en estado estable sinusoidal se reduce a V rms I rms cos(φ), donde T es el período de p(t) y φ es el ángulo por el cual la corriente se retrasa con respecto al voltaje. [1]
El húngaro Ottó Bláthy patentó su vatímetro de corriente alterna. [ cita necesaria ]
En 1974, Maghar S. Chana, Ramond L. Kraley, Eric A. Hauptmann Barry y M. Pressman patentaron un vatímetro electrónico primitivo. Este dispositivo está formado por transformadores de potencia, corriente y tensión, que miden la potencia media. [2]
El vatímetro analógico tradicional es un instrumento electrodinámico . El dispositivo consta de un par de bobinas fijas , conocidas como bobinas de corriente , y una bobina móvil conocida como bobina de potencial .
Las bobinas de corriente están conectadas en serie con el circuito, mientras que la bobina de potencial está conectada en paralelo . Además, en los vatímetros analógicos , la bobina de potencial lleva una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la medición. Una corriente que fluye a través de la bobina de corriente genera un campo electromagnético alrededor de la bobina. La intensidad de este campo es proporcional a la corriente de línea y está en fase con ella. La bobina de potencial tiene, como regla general, una resistencia de alto valor conectada en serie con ella para reducir la corriente que fluye a través de ella.
El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua (CC), la desviación de la aguja es proporcional tanto a la corriente ( I ) como al voltaje ( V ), cumpliendo así la ecuación P = VI .
En el caso de la alimentación de CA , la corriente y el voltaje pueden no estar en fase debido a los efectos retardantes de la inductancia o la capacitancia del circuito . En un circuito de CA, la desviación es proporcional al producto instantáneo promedio del voltaje y la corriente, por lo que se mide la potencia activa , P = VI cos φ . Aquí, cos φ representa el factor de potencia que muestra que la potencia transmitida puede ser menor que la potencia aparente obtenida al multiplicar las lecturas de un voltímetro y un amperímetro en el mismo circuito.
Los vatímetros electrónicos se utilizan para mediciones directas de pequeña potencia o para mediciones de potencia a frecuencias que están fuera del rango de los instrumentos de tipo electrodinamómetro.
Un vatímetro digital moderno toma muestras de voltaje y corriente miles de veces por segundo. Para cada muestra, el voltaje se multiplica por la corriente en el mismo instante; el promedio durante al menos un ciclo es la potencia real. La potencia real dividida por los voltamperios (VA) aparentes es el factor de potencia. Un circuito de computadora utiliza los valores muestreados para calcular el voltaje RMS, la corriente RMS, los VA, la potencia (vatios), el factor de potencia y los kilovatios-hora. Las lecturas se pueden mostrar en el dispositivo, conservar para proporcionar un registro y calcular promedios, o transmitir a otro equipo para su uso posterior. Los vatímetros varían considerablemente en el cálculo correcto del consumo de energía, especialmente cuando la potencia real es mucho menor que los VA ( cargas altamente reactivas , por ejemplo, motores eléctricos ). Los medidores simples se pueden calibrar para cumplir con la precisión especificada solo para formas de onda sinusoidales . Las formas de onda para fuentes de alimentación de modo conmutado que se usan para muchos equipos electrónicos pueden estar muy lejos de ser sinusoidales, lo que genera errores desconocidos y posiblemente grandes a cualquier potencia. Esto puede no estar especificado en el manual del medidor.
Existen limitaciones para medir la potencia con vatímetros económicos o, de hecho, con cualquier medidor que no esté diseñado para mediciones de baja potencia. Esto afecta particularmente a la baja potencia (por ejemplo, menos de 10 vatios), como se usa en modo de espera; las lecturas pueden ser tan inexactas que sean inútiles (aunque confirman que la potencia en modo de espera es baja, en lugar de alta). [3] La dificultad se debe en gran medida a la dificultad de medir con precisión la corriente alterna, en lugar del voltaje, y la relativamente poca necesidad de mediciones de baja potencia. La especificación del medidor debe especificar el error de lectura para diferentes situaciones. Para un medidor enchufable típico, el error en potencia se establece como ±5% del valor medido ±10 W (por ejemplo, un valor medido de 100 W puede ser incorrecto en un 5% de 100 W más 10 W, es decir, ±15 W, o 85–115 W); y el error en kW·h se establece como ±5% del valor medido ±0,1 kW·h. [4] Si una computadora portátil en modo de suspensión consume 5 W, el medidor puede leer cualquier valor entre 0 y 15,25 W, sin tener en cuenta los errores debidos a la forma de onda no sinusoidal. En la práctica, la precisión se puede mejorar conectando una carga fija, como una bombilla incandescente, agregando el dispositivo en modo de espera y utilizando la diferencia en el consumo de energía. [3] Esto saca la medición de la zona problemática de bajo consumo.
Los instrumentos con bobinas móviles se pueden calibrar para corriente continua o corrientes de frecuencia industrial de hasta unos pocos cientos de hercios. En frecuencias de radio (RF), un método común es un circuito rectificador dispuesto para responder a la corriente en una línea de transmisión ; el sistema se calibra para la impedancia conocida del circuito. Los detectores de diodos se conectan directamente a la fuente o se utilizan con un sistema de muestreo que desvía solo una parte de la potencia de RF a través del detector. Los termistores y termopares se utilizan para medir el calor producido por la potencia de RF y se pueden calibrar directamente o por comparación con una fuente de potencia de referencia conocida. [5] Un sensor de potencia de bolómetro convierte la potencia de radiofrecuencia incidente en calor. El elemento sensor se mantiene a una temperatura constante mediante una pequeña corriente continua. La reducción de la corriente necesaria para mantener la temperatura está relacionada con la potencia de RF incidente. Los instrumentos de este tipo se utilizan en todo el espectro de RF e incluso pueden medir la potencia de la luz visible. Para mediciones de alta potencia, un calorímetro mide directamente el calor producido por la potencia de RF. [5]
Un instrumento que mide la energía eléctrica en vatios-hora es esencialmente un vatímetro que integra la potencia a lo largo del tiempo (básicamente, multiplica la potencia por el tiempo transcurrido). Los instrumentos electrónicos digitales miden muchos parámetros y se pueden utilizar donde se necesita un vatímetro: voltios , corriente en amperios , potencia instantánea aparente, potencia real, factor de potencia, energía en [k]W·h durante un período de tiempo y coste de la electricidad consumida.
Este artículo incorpora texto de una publicación que ahora es de dominio público : Chisholm, Hugh , ed. (1911). "Wattmeter". Encyclopædia Britannica . Vol. 28 (11.ª ed.). Cambridge University Press.
