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Sumário
- 1 Introdução a Medidas Elétricas.....................................................................................................................
- 1.1 Conceitos Básicos
- 1.2 Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas
- 1.3 Instrumentos Analógicos
- 1.3.1 Características Construtivas
- 1.3.2 Principais Características Operacionais
- 1.3.3 Simbologia
- 1.4 Instrumentos Digitais.................................................................................................................................
- 1.4.1 Características Construtivas
- 1.4.2 Principais Características Operacionais
- 1.5 Instrumentos Básicos De Medidas Elétricas ......................................................................................
- 1.5.1 Amperímetro
- 1.5.2 Voltímetro
- 1.5.3 Wattímetro
- 1.5.4 Medidor de Energia Ativa Analógico de Indução (relógio de luz)
- Referências Bibliográficas .....................................................................................................................................
1 Introdução a Medidas Elétricas
1.1 Conceitos Básicos
Medir é estabelecer uma relação numérica entre uma grandeza e outra, de mesma espécie, tomada como unidade. Medidas elétricas só podem ser realizadas com a utilização de instrumentos medidores , que permitem a quantificação de grandezas cujo valor não poderia ser determinado através dos sentidos humanos.
Padrão é a grandeza que serve de base ou referência para a avaliação da quantidade ou da qualidade da medida; deve ser estabelecido de tal forma que apresente as seguintes características:
- Permanência , significando que o padrão não pode se alterar com o passar do tempo nem com a modificação das condições atmosféricas;
- Reprodutibilidade , que é a capacidade de obter uma cópia fiel do padrão. Erros são inerentes a todo o tipo de medidas e podem ser minimizados, porém nunca completamente eliminados. Em medidas elétricas, costuma-se considerar três categorias de erros:
a) Grosseiros São sempre atribuídos ao operador do equipamento e, de uma maneira geral, pode-se dizer que resultam da falta de atenção. A ligação incorreta do instrumento, a transcrição equivocada do valor de uma observação ou o erro de paralaxe são alguns exemplos. Esses erros podem ser minimizados através da repetição atenta das medidas, seja pelo mesmo observador ou por outros.
b) Sistemáticos Devem-se as deficiências do instrumento ou do método empregado e às condições sob as quais a medida é realizada. Costuma-se dividi-los em duas categorias:
- Instrumentais , inerentes aos equipamentos de medição, tais como escalas mal graduadas, oxidação de contatos, desgaste de peças e descalibração. Podem ser minimizados usando-se instrumentos de boa qualidade e fazendo-se sua manutenção e calibração adequadas.
- Ambientais , que se referem às condições do ambiente externo ao aparelho, incluindo-se aqui fatores tais como temperatura, umidade e pressão, bem como a existência de campos elétricos e/ou magnéticos. Para diminuir a incidência desses erros pode-se trabalhar em ambientes climatizados e providenciar a blindagem dos aparelhos em relação a campos eletromagnéticos.
1.2 Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas
Os instrumentos de medidas elétricas podem ser classificados de várias formas, de acordo com o aspecto considerado quanto à:
a) G randeza a ser medida : amperímetro (corrente); voltímetro (tensão); wattímetro (potência ativa); varímetro (potência reativa); fasímetro ou cosifímetro (defasagem entre tensão e
corrente ou cos ϕ); ohmímetro (resistência); capacímetro (capacitância); frequencímetro
(frequência).
b) Forma de apresentação dos resultados :
- analógicos, nos quais a leitura é feita de maneira indireta, usualmente através do posicionamento de um ponteiro sobre uma escala, como o mostrado na Figura 2(a);
- digitais, que fornecem a leitura diretamente em forma alfa-numérica num display (Figura 2(b)).
(a) (b)
Figura 2: Exemplos de multímetros: (a) analógico; (b) digital. Os instrumentos digitais ganham a cada dia destaque entre os dispositivos de medidas elétricas. Dois fatores são apontados para seu sucesso:
- comodidade do operador – é muito mais fácil ler o resultado diretamente no display do que deduzi-lo a partir da posição de um ponteiro sobre uma escala;
- queda dos preços – nos últimos anos o custo dos instrumentos digitais reduziu-se vertiginosamente.
No entanto, a utilização de medidores analógicos ainda é muito intensa devido a fatores tais como: 1) grande número de instrumentos de oficinas e painéis de controle de indústrias ainda têm por base instrumentos analógicos; 2) de maneira geral, instrumentos analógicos são mais robustos que os digitais, tornando-os mais apropriados em determinadas situações e 3) em algumas aplicações onde há variações rápidas da grandeza a ser medida, é mais interessante observar o movimento de um ponteiro do que tentar acompanhar a medida através de dígitos. Por exemplo, em experiências em laboratório é prática recomendada utilizar no circuito experimentado um amperímetro analógico em série ao circuito como equipamento de segurança. Isto porque caso o circuito experimentado esteja em curto-circuito (devido a um erro de montagem) o amperímetro analógico acusará um grande deslocamento em seu ponteiro (facilmente perceptível) mesmo se os valores de tensão aplicados ao circuito forem muito pequenos. c) Capacidade de armazenamento das leituras :
- indicadores, capazes de fornecer somente o valor da medida no instante em que a mesma é realizada (Figura 2);
- registradores, capazes de armazenar certo número de leituras (Figura 3(a));
- totalizadores, que apresentam o valor acumulado da grandeza medida (Figura 3(b)).
(a) (b)
Figura 3: Exemplos de instrumentos classificados quanto à sua capacidade de armazenamento de leituras: (a) registrador-medidor de energia ativa eletrônico; (b) totalizador - medidor analógico (relógio de luz). d) Princípio físico utilizado para a medida : bobina móvel, ferro móvel, ferrodinâmico, bobinas cruzadas, indutivo, ressonante, eletrostático.
- Fundo de escala^1 ou calibre : o máximo valor que determinado instrumento é capaz de medir sem correr o risco de danos.
- Posição do zero : a posição de repouso do ponteiro, quando o instrumento não está efetuando medidas (zero) pode variar muito: zero à esquerda, zero à direita, zero central, zero deslocado ou zero suprimido (aquela que inicia com valor maior que zero). Na Figura 4 são mostrados alguns tipos de escalas que se diferenciam quanto à posição do zero. Costuma-se explicitar a posição do zero através da designação da escala. Por exemplo: 1) 0 – 200 mA - miliamperímetro, escala com zero à esquerda. 2) 120 - 0 -120 V - voltímetro, escala com zero central; 3) 40 – 0 – 200 V - voltímetro, escala com zero deslocado e 4) 10 – 200 A amperímetro, escala com zero suprimido.
Figura 4: Classificação das escalas de acordo com a posição do zero (a) zero à direita; (b) zero central; (c) zero suprimido; (d) zero deslocado.
- Correção do efeito de paralaxe : muitos instrumentos possuem um espelho logo abaixo da escala graduada, como mostrado na Figura 5; neste caso, a medida deverá ser feita quando a posição do observador é tal que o ponteiro e sua imagem no espelho coincidam.
Figura 5: Espelho para correção do erro de paralaxe.
- Linearidade : característica que diz respeito à maneira como a escala é dividida. Quando a valores iguais correspondem divisões iguais, diz-se que a escala é linear (ou homogênea ), como
(^1) Nome usado devido usualmente corresponder ao valor marcado no fim da escala do equipamento.
aquelas mostradas na Figura 4; caso contrário, a escala é chamada não-linear ( heterogênea ), como a que aparece acima do espelho da Figura 5.
1.3.2 Principais Características Operacionais
- Sensibilidade Todos os instrumentos analógicos possuem uma resistência interna, devida à existência dos enrolamentos, conexões e outras partes; portanto, quando inseridos em um circuito, esses aparelhos causam uma mudança na configuração original (carregam o circuito). A sensibilidade (S) é uma grandeza que se relaciona à resistência interna dos instrumentos; no caso de medidores analógicos, ela é calculada tomando-se como base a corrente necessária para produzir a máxima deflexão no ponteiro (Imax). Então:
max
S = I (1.1)
Considerando a Lei de Ohm, para a qual 1 A = 1 V/Ω, deduz-se que a sensibilidade é dada em ohms por volts (Ω/V). Quanto maior for a sensibilidade de um instrumento, melhor este será. De uma maneira geral, os instrumentos de bobina móvel são aqueles que apresentam melhor sensibilidade entre os medidores analógicos, podendo atingir valores da ordem de 100 kΩ/V.
- Valor fiducial É o valor de referência para a especificação da classe de exatidão do instrumento. Este valor é determinado de acordo como tipo de escala do medidor, no que se refere à posição do zero, de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1: Valor fiducial de instrumentos de medida.
- Resolução Determina a capacidade que tem um instrumento de diferenciar grandezas com valores próximos entre si. No caso de instrumentos analógicos, a diferença entre esses valores é dada por duas divisões adjacentes em sua escala.
- Posição Instrumentos de painel usualmente são projetados para funcionamento na posição vertical, porém outras posições podem ser viáveis. A Figura 8 mostra as possíveis posições de instrumentos de painel, bem como a simbologia usada para sua representação. O uso de um instrumento em posição diferente daquela para a qual foi projetado pode ocasionar erros grosseiros de leitura.
Figura 8: Posição dos instrumentos de medida. (a) representação de diversas posições possíveis; (b) simbologia utilizada.
- Classe de exatidão A classe de exatidão de um instrumento fornece o erro admissível em porcentagem entre o valor indicado pelo instrumento e o fiducial, levando-se em consideração o valor do fundo de escala. É indicada no painel do instrumento por um número expresso em algarismos arábicos. Por exemplo, se um amperímetro de classe 0,5 tem amplitude de escala de 0 a 200 mA, isto significa que o erro máximo admissível em qualquer ponto da escala é:
0,5 (^200) 1mA
= × =
Portanto, se o aparelho indicar 50mA, a variação admissível será 50 ± 1 mA; se estiver indicando 150 mA, a variação será igualmente 150 ± 1 mA. A Tabela 2 apresenta as classes de exatidão de instrumentos de medidas elétricas.
Tabela 2: Classes de exatidão de instrumentos de medidas elétricas.
- Unidade de Medida A Figura 9 apresenta a simbologia para alguns instrumentos de medição.
Figura 9: Simbologia para diversos instrumentos de medição elétrica em relação à grandeza medida.
1.4 Instrumentos Digitais
Se nos instrumentos analógicos o modelo básico é o amperímetro, a operação dos aparelhos digitais tem como fundamento a medida de tensão (voltímetro). A alteração da configuração inicial permite que sejam medidas outras grandezas, como corrente, resistência, frequência, temperatura e capacitância.
1.4.1 Características Construtivas
A característica básica dos instrumentos digitais é a conversão dos sinais analógicos de entrada em dados digitais. Esta conversão análogico-digital (ou A-D ) é realizada por circuitos eletrônicos cuja operação foge ao escopo deste curso.
A parte mais evidente em um instrumento digital é seu display (visor), que pode ser de 2 tipos:
a) Display de LEDs ( Light Emiting Diodes ), dispositivos semicondutores capazes de emitir luz quando percorridos por corrente elétrica. Esses displays têm fundo escuro, para proporcionar maior destaque ao brilho dos LEDs.
b) Display de cristal líquido LCD ( Liquid Crystal Display ), constituídos por duas lâminas transparentes de material polarizador de luz, com eixos polarizadores alinhados perpendicularmente entre si; entre as lâminas existe uma solução de cristal líquido, cujas moléculas podem se alinhar sob a ação da corrente elétrica, impedindo a passagem da luz. A Figura 12 mostra modelos de displays de LED e LCD respectivamente.
(a) (b)
Figura 12: Exemplos de displays. (a) Voltímetro de corrente contínua-LED; (b) Multímetro Digital-LCD.
A Tabela 3 apresenta as principais vantagens e desvantagens de cada um desses tipos de displays. O conhecimento dessas características pode auxiliar na tomada de decisão sobre qual tipo de visor é mais adequado às condições da medida.
Tabela 3: Comparação entre displays de LED e LCD.
1.4.2 Principais Características Operacionais
- Resolução Como no caso dos instrumentos analógicos, esta característica está relacionada à capacidade de diferenciar grandezas com valores próximos entre si.
- Capacidade de Contagem Máxima do Display Digital Um instrumento com 3^1 / 2 dígitos tem 3 dígitos “completos” (isto é, capazes de mostrar os algarismos de 0 até 9) e 1 “meio dígito”, que só pode apresentar 2 valores: 0 (nesse caso o algarismo está “apagado”) ou 1; portanto, este instrumento pode contar até 1999. Outro instrumento de 4^1 / 2 dígitos tem maior contagem, pois pode apresentar 19999 contagens.
Instrumentos com contagem de 3999 (3^1 / 4 dígitos), 4999 (3^1 / 5 dígitos) ou 6999 (3^1 / 7 dígitos) também são fabricados, até com contagens máximas maiores.
- Exatidão De forma semelhante aos instrumentos analógicos, a exatidão dos medidores digitais informa o maior erro possível em determinada condição de medição. É expresso através de percentual da leitura do instrumento. Por exemplo, se um instrumento digital com 1% de exatidão
Figura 13: Categorias dos instrumentos digitais de medidas elétricas.
Figura 14: Multímetro digital categoria CAT II.
- True RMS A maioria dos medidores de tensão e corrente fornece indicações bastante exatas quando operam grandezas constantes (CC) ou formas sinusoidais puras (CA); no entanto deixam a desejar quando a grandeza sob análise tem outra forma de onda. Nesse caso, somente os instrumentos classificados com True RMS darão a indicação exata.
1.5 Instrumentos Básicos De Medidas Elétricas
Denominam-se básicos os instrumentos destinados à medida das grandezas elétricas básicas: corrente, tensão, potência e energia. Outras grandezas elétricas – como resistência e capacitância - podem ser determinadas a partir de adaptações feitas nesses medidores básicos.
1.5.1 Amperímetro
Utilizado para medir correntes, sempre é ligado em série com elemento/circuito cuja corrente quer se medir; isto significa que um condutor deverá ser “aberto” no ponto de inserção do instrumento, como mostra a Figura 15(a). O símbolo do amperímetro está mostrado no diagrama esquemático da Figura 15(b).
(a) (b) Figura 15: Medida de corrente com amperímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama da ligação. Se a interrupção do circuito é impraticável pode-se usar um amperímetro-alicate (Figura 16), capaz de medir a corrente pelo campo magnético que esta produz ao passar no condutor.
Figura 16: Multímetro digital com alicate amperímetro.
com o instrumento um resistor cujo valor seja apropriado para receber o “excesso” de tensão (Figura 19).
Figura 19: Esquema de ligação para a ampliação de escala de um voltímetro. A mesma observação relativa à ligação dos amperímetros analógicos vale para os voltímetros: a inversão na conexão do instrumento ocasiona a inversão do sentido de deslocamento do ponteiro.
Uma observação importante com relação a ligação de voltímetros e amperímetros para medição de tensões e correntes, respectivamente, é o fato de que nunca se deve ligar um amperímetro em paralelo com a carga que se deseja medir a corrente. Isto porque, um amperímetro (que idealmente possui uma resistência interna nula) quando ligado em paralelo causará um curto- circuito nos terminais da carga (possibilidade de passagem de correntes na ordem de kA no amperímetro ocasionando queima do equipamento e risco de choque elétrico no operador). Por outro lado, um voltímetro (que idealmente deve ter impedância infinita) não deve ser colocado em série na carga que se deseja medir a tensão pois haverá interrupção da corrente demandada pela carga.
1.5.3 Wattímetro
É o aparelho apropriado para a medida de potência ativa. Os wattímetros analógicos (Figura 20(a)) possuem duas bobinas, uma para a medida de tensão (também chamada bobina de potencial ) e outra para medir a corrente (bobina de corrente ). O aparelho é construído de tal forma que o ponteiro indica o produto dessas duas grandezas multiplicado, ainda, pelo cosseno da defasagem entre elas (fator de potência). Na Figura 20(b) mostra-se o símbolo geral usado para wattímetros e sua conexão para a medição de potência ativa em uma carga.
(a) (b)
Figura 20: Wattímetro analógico. (a) vista geral, com indicação das bobinas de tensão (V) e de corrente (A); (b) símbolo e conexão para medir potência ativa de uma carga. Nos wattímetros digitais, um circuito eletrônico calcula, por amostragem, tensão e corrente eficazes e, através delas, a potências ativa. Na Figura 21(a) é ilustrado um wattímetro digital e na Figura 21(b) sua ligação para medida de potência ativa de uma carga.
(a)
Fonte Carga
WattímetroDigital
(b)
Figura 21: Wattímetro digital. (a) vista geral; (b) conexão para medir potência ativa de uma carga.
