domingo, 23 de septiembre de 2012

La bobina de Rogowski

Fig. 1.- Medida de la corriente eléctrica mediante una bobina
de Rogowski y circuitos anexos: integrador y filtro
.
Walter Rogowski y W. Steinhousen, desarrollaron en 1912 un dispositivo para medir campos magnéticos, partiendo de las investigaciones previas (1887) del profesor Arthur Prince Chattock[1]. Los trabajos iniciales de Chattock estaban dirigidos a medir la reluctancia[2] magnética en circuitos de hierro usados para el diseño de dinamos; utilizando un potenciómetro magnético que localizaba alrededor de los conductores portadores de corriente eléctrica (apéndice C). Estas ideas, aun vigentes, permitieron el uso de un dispositivo similar para probar los núcleos estatores de generadores y motores; técnica implementada por la Central Electricity Generating Board (CEGB) en 1982

El potenciómetro magnético de Chattock, fue estudiado por Rogowski y Steinhousen para medir potenciales magnéticos, ellos publicaron un documento donde describen numerosos experimentos para verificar el funcionamiento de sus bobinas, efectuando medidas muy precisas del campo magnético inducido[3]. Esas bobinas consistían de un enrollado de alambre conductor, devanado sobre un núcleo de aire en forma de círculo o toroide; cuyos extremos terminales se unían en un mismo punto de la bobina, regresando uno de ellos por el interior de la misma. Este ingenioso dispositivo genera una diferencia de potencial (d.d.p.) en los extremos terminales, proporcional a la variación temporal del campo magnético. Para integrar ese potencial derivado temporalmente, tanto Chattock como Rogowski, utilizaron galvanómetros balísticos en sus experimentos. El campo magnético que ellos utilizaron provenía de bobinas alimentadas por bancos de baterías, por lo que para generar un flujo magnético oscilante, fue necesario alternar manualmente un interruptor de apagado y encendido o mover rápidamente la bobina sensoria dentro del campo a medir.

Durante el siglo XX, para medir la corriente eléctrica que circula a través de un conductor se utilizaron básicamente tres técnicas: shunt resistivos, sensores de efecto hall, y transformadores de corriente de núcleos ferromagnéticos. El primero consiste en hacer pasar por una resistencia conocida una fracción de la corriente a medir para obtener una d.d.p. proporcional a la corriente en el conductor. Y los siguientes, miden el campo inducido alrededor del conductor; con la desventaja de la afectación térmica de la sonda hall (además de su costo), y de la escasa linealidad, la saturación e histéresis de los transformadores de corriente de núcleos ferrosos.

Las bobinas de núcleos de aires utilizadas por Chattock y Rogowski, no son afectadas por la histéresis o la saturación, son de excelente linealidad en un amplio ancho de banda, y anulan la influencia de campos electromagnéticos externos. Sin embargo, las bobinas de Chattock y Rogowski, solo fueron utilizadas para medir corriente eléctrica en la última mitad el siglo XX; luego de un redescubrimientos de sus potencialidades. La causa principal que impidió hacer medidas de corriente eléctrica con esos dispositivos, fue la falta de resolución instrumental. Para corrientes moderadas en un conductor eléctrico, las bobinas de núcleos de aire utilizadas por los primeros investigadores generaban una d.d.p. en sus extremos terminales del orden de unos pocos decimos de micro voltios, magnitud que era difícil de apreciar con las técnica e instrumentos de principios del siglo XX.

Los aspectos teóricos, leyes y desarrollos primarios que estudian el campo magnético inducido, son del siglo XIX (las viejas leyes de Faraday, Ampere, y Lenz, etc.). El presente desarrollo de la electrónica y la evolución de los muy versátiles dispositivos semiconductores, como amplificadores operacionales, microprocesadores, y PIC, han permitido la medida precisa de la corriente eléctrica a través de un conductor. Al medir el campo magnético inducido alrededor del conductor utilizando una bobina de núcleos de aires (o dieléctricos); se obtiene en los terminales de la misma una respuesta en voltaje que se corresponde a la derivada en el tiempo de la corriente en el conductor; Integrando en función del tiempo esa respuesta diferenciada, obtenemos el valor de la corriente. La bobina de Rogowski puede ser manufacturado como una bobina plana con espiras de geometría rectangular concéntrica al conductor portador de corriente; preferente a una configuración toroidal; lo que maximiza su sensibilidad y minimiza su afectación por campos electromagnéticos externos.

[1] Chattock A. P. Compartimiento y diario filosóficos de la ciencia, vol. XXIV, no. 5to Serie, pp. 94-96, Julio-DEC 1887, (Sobre un potenciómetro magnético).
[2]La reluctancia magnética de un material o circuito magnético es la resistencia que éste posee al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético (Wikipedia)..
[3] Rogowski W. Y Steinhaus W.: “Die messung der magnetische spannung, Arch Electrotech I, pp 141–150, (1912).



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