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ABC DO

MULTÍMETRO

1ª Edição

Mário Alves ([email protected])

Departamento de Engenharia Electrotécnica

Fevereiro de 1999

ÍNDICE

• ABC do Multímetro 1/
• 1. T RÊS P ASSOS PARA A M EDIÇÃO
  • 1º - Ter uma Ideia do Valor da Grandeza
  • 2º - Instrumento que temos = Instrumento que precisamos?..............................................................................
  • 3º - Proceder à medição........................................................................................................................................
• 2. C LASSIFICANDO OS INSTRUMENTOS DE M EDIÇÃO
  • 2.1. Instrumentos Analógicos/Digitais................................................................................................................
  • 2.2. Electrónica Analógica/Digital
  • 2.3. Multímetro = Voltímetro + Amperímetro + Ohmímetro +…
  • 2.4. Instrumentação Real/Virtual......................................................................................................................
• 3. C ONSTITUIÇÃO B ÁSICA DE UM AMPERÍMETRO , V OLTÍMETRO E O HMÍMETRO
  • 3.1. Montagem de um Amperímetro.................................................................................................................
  • 3.2. Montagem de um Voltímetro.....................................................................................................................
  • 3.3. Montagem de um Ohmímetro
• 4. M EDIÇÃO DE GRANDEZAS ALTERNADAS
  • 4.1. Características de uma Grandeza Alternada Sinusoidal
  • 4.2. Necessidade de Rectificação........................................................................................................................
• 5. M ULTÍMETROS DE VERDADEIRO VALOR E FICAZ (TRMS)
  • 5.1. Necessidade.................................................................................................................................................
  • 5.2. Princípio de Funcionamento
  • 5.3. Verificação Matemática
• 6. E FEITO DE CARGA DE UM AMPERÍMETRO E DE UM VOLTÍMETRO
  • 6.1. Determinação da Resistência Interna
  • 6.2. Exemplo do Efeito de Carga.......................................................................................................................
  • 6.3. Efeito de Carga em Termos Genéricos.......................................................................................................
• 7. INCERTEZA NA M EDIÇÃO …
  • 7.1. … nos Voltímetros e Amperímetros Digitais.............................................................................................
  • 7.2. … nos Voltímetros e Amperímetros Analógicos
• 8. M EDIÇÃO DE CORRENTES E T ENSÕES E LEVADAS
  • 8.1. Medição de Correntes Elevadas
  • 8.2. Medição de Tensões Elevadas
• 9. S ÍMBOLOS M AIS U TILIZADOS …
  • 9.1. … para definir o princípio de funcionamento,............................................................................................
  • 9.2. … para definir o sistema de corrente,..........................................................................................................
  • 9.3. … para definir a posição de trabalho,..........................................................................................................
  • 9.4. … para definir o ensaio do isolamento eléctrico,
  • 9.5. … para definir a categoria de sobretensão,
  • 9.6. … para definir a incerteza de medição,........................................................................................................
  • 9.7. … para definir a resistência interna,
  • 9.8. … para definir outras características............................................................................................................
• 10. R EFERÊNCIAS

ABC do Multímetro 3/

1. TRÊS PASSOS PARA A M EDIÇÃO

O objectivo deste capítulo é ensinar, de uma forma simples, segura e eficaz, quais os três passos fundamentais para se efectuar uma medição de tensão ou corrente eléctricas:

1º - Ter uma ideia do valor da grandeza. 2º - Instrumento que temos = Instrumento que precisamos? 3º - Proceder à medição

1º - Ter uma Ideia do Valor da Grandeza

Uma regra fundamental em metrologia, nomeadamente na medição de grandezas eléctricas, é que nunca se procede a uma medição sem ter uma ideia (mesmo que aproximada) do valor da grandeza que se pretende medir. Isto poderá evitar a ocorrência de consequências nocivas para pessoas, equipamento e meio ambiente.

Isto pode ser conseguido tendo em conta o tipo de fonte de alimentação que está em jogo, bem como a potência dos receptores.

Imaginemos por exemplo que pretendermos medir a corrente consumida por duas lâmpadas da mesma potência nominal - 60 W, uma usada num candeeiro em nossa casa e outra utilizada no nosso automóvel como farol de máximo. É fácil de perceber que vai haver uma diferença substancial entre o valor das duas correntes. A corrente consumida pelo candeeiro vai “andar à volta de” I = P/U = 60/230 = 0,26 A, enquanto que a corrente consumida pelo farol de máximo será “aproximadamente de” I = P/U = 60/12 = 5 A.

Claro que uma coisa é “ter uma ideia do valor” de uma grandeza, outra coisa é medi-la, com maior ou menor exactidão. É para isso que utilizamos os instrumentos de medição: para confirmar o valor de uma grandeza, para determinar o valor de uma grandeza com maior exactidão.

2º - Instrumento que temos = Instrumento que precisamos?

É fundamental verificar se o instrumento de medição de que dispomos é adequado à medição que pretendemos efectuar, fundamentalmente em quatro aspectos:

1. Mede a grandeza pretendida? É mais que trivial que se pretendemos medir uma dada grandeza, o instrumento de medição tem de permitir medir essa grandeza. No caso particular da medição de tensão e corrente eléctricas, é fundamental ainda saber se o instrumento mede grandezas contínuas e/ou alternadas e se eventualmente permite medir o verdadeiro valor eficaz de um dado sinal de tensão ou corrente (ver ‘9.2. … para definir o sistema de corrente,’).
2. Tem o alcance necessário? É também lógico que o instrumento deve ter o alcance (valor máximo numa dada escala) adequado à medição que pretendemos efectuar. Isto aplica-se tanto nos casos em que o alcance é inferior ao valor que pretendemos medir, como aos casos em que o alcance é muito superior ao valor medido. O primeiro caso é mais fácil de perceber, pois não podemos medir uma corrente de 30 A com um amperímetro que permite apenas

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medir até 10 A. No segundo caso, trata-se de um problemas de sensibilidade e resolução do instrumento. É óbvio que, se dispusermos de um amperímetro que mede até 10 A (quer seja analógico ou digital), se formos medir correntes na ordem dos μA ou mesmo mA, não vamos obter qualquer desvio do ponteiro, no caso de um instrumento analógico, nem um número aceitável de algarismos significativos (se tivermos algum), no caso de um instrumento digital.

3. Respeita a categoria de sobretensão necessária? Devemos observar qual a categoria de sobretensão do instrumento, de forma a garantirmos uma total segurança na sua utilização (ver ‘9.5. … para definir a categoria de sobretensão,’). Os circuitos eléctricos, dependendo da sua natureza, podem estar mais ou menos sujeitos ao aparecimentos de sobretensões (tensões muito mais elevadas do que as nominais). O isolamento eléctrico do instrumento poderá então não ser suficiente para proteger o utilizador no caso de este estar a efectuar uma medição de tensão. Devemos portanto respeitar a categoria de sobretensão referida no mostrador, ou parte frontal do instrumento, bem como no seu manual de utilização.
4. Tem a exactidão necessária? A exactidão de um instrumento de medição é sem dúvida o factor mais importante no seu preço. Dependendo do intervalo de incerteza que consideramos aceitável no resultado, o instrumento poderá ser adequado, inadequado, ou mesmo “bom de mais”. Enquanto que os multímetros mais utilizados têm uma incerteza na ordem dos 1% - 3%, custando entre 10 e 30 contos, se pretendermos incertezas na ordem dos 0,1% - 0,3% poderemos pagar cerca de 10 vezes mais! Não tem interesse gastar muito dinheiro num instrumento que não vai ver todas as suas potencialidades (qualidades metrológicas) aproveitadas…

3º - Proceder à medição

Este terceiro e último passo engloba todas as operações necessárias na execução de uma dada medição. Fazem parte destas operações a montagem do circuito eléctrico adequado à aplicação do método de medição pretendido, tendo em conta aspectos como a ligação correcta do instrumento de medição (nomeadamente a escolha correcta dos terminais, escala e polaridade) e a determinação do intervalo de incerteza, de forma a apresentar correctamente o resultado da medição.

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• Um instrumento de medição digital apresenta o sinal de saída ou a indicação sob a forma digital (numérica).

Figura 2: Instrumentos digitais (multímetro “real” e voltímetro “virtual”) ([Instr, 1998])

Consideremos os seguintes exemplos para uma melhor compreensão:

• Podemos ter instrumentos de medição digitais com princípio de funcionamento puramente mecânico, tal como um contador de água, onde existe uma indicação digital a quantidade de metros cúbicos consumidos e uma indicação analógica que representa o caudal de água. Um relógio mecânico apresenta normalmente uma indicação analógica (horas, minutos e segundos) e uma indicação digital (dia do mês).
• O painel de instrumentos de um automóvel contem normalmente instrumentos analógicos e digitais: o velocímetro, o conta-rotações e o nível do reservatório de gasolina são normalmente analógicos e os conta-quilómetros total e parcial são normalmente digitais.

2.2. Electrónica Analógica/Digital

É também importante eliminar uma possível confusão com os conceitos de electrónica analógica e electrónica digital. O que distingue um circuito eléctrico de um circuito electrónico é que o segundo envolve a utilização de dispositivos semicondutores, tais como transístores, díodos e tirístores, além da utilização de dispositivos eléctricos (resistências, condensadores, indutâncias, etc.),

A electrónica analógica distingue-se da electrónica digital, pois num circuito digital a informação é em algum sítio convertida para digital (dois níveis apenas). É cada vez maior o número de sistemas com circuitos digitais, dada a utilização cada vez mais vulgarizada de microprocessadores, desde os electrodomésticos (máquina de lavar louça, televisão, telefone, aparelhagem de som) a relógios, unidades de controlo dos automóveis, sistemas de alarme, sistemas de controlo industrial, etc. Um caso típico de um circuito de electrónica analógica é um rádio FM.

Devemos então distinguir o tipo de indicação (analógica ou digital) do princípio de funcionamento de um instrumento de medição eléctrico/electrónico (analógico ou digital). São clarificadores os seguintes exemplos:

ABC do Multímetro 7/

• Um contador de energia eléctrica não contém nenhuma electrónica digital, no entanto a indicação (número de kW.h) é digital.
• Um relógio “digital” (ou seja, com electrónica digital) poderá dar uma indicação analógica (através de um mostrador de cristais líquidos onde aparecem os ponteiros).
• Os osciloscópios são normalmente classificados como analógicos ou “digitais”, de acordo com o seu princípio de funcionamento (o digital recolhe amostras do sinal, que converte em palavras de bits). No entanto, ambos dão uma indicação analógica, ou seja, ambos mostram a evolução do sinal de entrada ao longo do tempo. Claro que um osciloscópio digital, dadas as suas potencialidades, também poderá apresentar algumas indicações digitais, tal como a frequência do sinal ou o seu valor eficaz. A figura seguinte demonstra claramente essa característica:

Figura 3: Osciloscópio “digital” com indicações analógica e digitais ([Fluke, 1998])

• Um multímetro dito “digital” (ou seja, com electrónica digital) poderá dar uma indicação analógica (através de uma barra no mostrador de cristais líquidos que aumenta ou diminui com o valor da grandeza medida):

Figura 4: Multímetro com indicações analógica e digital

ABC do Multímetro 9/

Ohmímetro Resistência eléctrica Multímetro Diversas grandezas eléctricas Capacímetro Capacidade Frequencímetro Frequência Fasímetro Fase (cos ϕ) Wattímetro Potência activa Varímetro Potência reactiva Contador Energia eléctrica Ponte de Wheatstone Resistência eléctrica Ponte RLC Resistência, indutância e capacidade Potenciómetro Tensão eléctrica (usando uma pilha padrão) Osciloscópio Análise temporal de sinais analógicos Analisador Lógico Análise temporal de sinais digitais Analisador de Espectro Análise espectral (frequências) de sinais (analógicos ou digitais) Pinça Amperimétrica Grandes correntes, sem interromper o circuito. Analisador de Redes Detecção de circuitos abertos, curto-circuitos, com localização (distância) da falha. Medidor de Campo Intensidade do campo electromagnético Barómetro Pressão Luxímetro Intensidade luminosa Termómetro Temperatura Paquímetro Comprimento

Existe no entanto, outro equipamento que pode ser necessário num sistema de medição:

Nome do Instrumento Grandeza Medida Calibrador Gera e mede diversas grandezas eléctricas, permitindo efectuar a

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calibração de diversos instrumentos. Fonte de Alimentação Tensão/corrente, CC/CA Gerador de Sinais Programáveis/não programáveis Caixas de Décadas Resistência, capacidade, indutância Padrões de Medição Tensão (pilha padrão), resistência, capacidade, indutância, etc.

2.4. Instrumentação Real/Virtual

Os instrumentos de medição podem classificar-se de “reais” ou “virtuais”, de acordo com a distribuição funcional das componentes da cadeia de instrumentação e controlo:

• Os instrumentos de medição reais são os instrumentos ditos “chave-na-mão” ou comerciais, que incorporam num só aparelho todos os blocos da cadeia de instrumentação e controlo necessários ao seu funcionamento (medição de uma dada grandeza), desde a transdução até à indicação. É o caso de um multímetro.
• Os instrumentos de medição virtuais englobam alguns ou todos os blocos da cadeia de instrumentação e controlo num computador. São também chamados de sistemas de aquisição de dados baseados em computador.

Tipos de Instrumentos Virtuais

Os instrumentos de medição virtuais poderão ser de dois tipos fundamentais:

1. O computador tem uma placa de aquisição de dados incorporada
2. O computador tem uma placa de comunicação que o liga a um ou mais instrumentos de medição (também com facilidades de comunicação)

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A figura seguinte dá um exemplo de um sistema de instrumentação virtual baseado num computador portátil que comunica com um sistema de aquisição de dados (e não com um instrumento “chave-na-mão”, como um osciloscópio) via um barramento USB (Universal Serial Bus):

Figura 7: Instrumento virtual utilizando USB ([IOTech, 1998])

O Computador 2, dispondo de uma Placa de Aquisição de Dados (por exemplo do tipo da Figura 8), pode medir directamente o valor de uma dada grandeza (no exemplo, pressão e caudal), apenas necessitando adicionalmente de transdutores e condicionamento de sinal adequados.

Figura 8: Placas de aquisição de dados ([IOTech, 1998])

Ambos os computadores dispõem de uma Interface de Utilização, que representa virtualmente o instrumento de medição. Nessa interface poderão existir janelas com indicações analógicas, digitais, gráficos de evolução temporal de sinais, listas de acontecimentos, avisos e alarmes, menus com variadas funções, nomeadamente a possibilidade de modificar determinados parâmetros de funcionamento dos instrumentos (mudar de escala num multímetro ou variar a base de tempo de um determinado canal de entrada, num osciloscópio, por exemplo).

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A figura seguinte apresenta diversos tipos de funcionalidades de uma Interface de Utilização:

Figura 9: Interface de Utilização de um instrumento virtual ([IOTech, 1998])

Nesta Interface de Utilização podemos ver indicações analógicas (ponteiros, à esquerda, em baixo), indicações digitais (valores de tensão, à direita, em baixo), gráficos de barras (centro), gráficos de evolução temporal (à direita, em cima) bem como comandos para diversas funcionalidades.

A camada de Lógica e Processamento, em ambos os computadores, representa a parte do software que executa a sequência lógica da aplicação (if, then, while, do, etc.) e executa processamento dos dados que são adquiridos pelo computador (descodificação desses dados, aplicação de funções matemáticas tais como cálculo de médias e das componentes frequenciais dos sinais, etc.).

As duas camadas inferiores da hierarquia diferem do Computador 1 para o Computador 2. O primeiro, dado que dispõe de uma Placa de Comunicação, necessita de uma interface (driver) de software que permita uma fácil utilização da Placa de Comunicação para comunicar com outros equipamentos: estamos a falar da Interface de Comunicação. Esta interface disponibiliza para as camadas superiores funções (de fácil utilização) para poder receber e transmitir dados de e para os outros equipamentos.

O Computador 2, dado que dispõe de uma Placa de Aquisição de Dados, necessita de uma interface que permita uma fácil utilização das funcionalidades da Placa de Aquisição de Dados: estamos a falar da Interface de Instrumentação. Esta interface disponibiliza para as camadas superiores funções (de fácil utilização) para poder adquirir dados (ler entrada número 1) e configurar determinados parâmetros da própria placa (a entrada número 1 vai efectuar duas amostras do sinal por segundo).

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possivelmente num formato comum, utilizando por exemplo um sistema de gestão de bases de dados como o MSAccess.

• Ambiente de Utilização O instrumento virtual pode (e deve) ser desenvolvido assente num sistema operativo bem conhecido, como por exemplo o MSWindows. Isto permite que o utilizador se adapte facilmente à aplicação que representa o instrumento virtual (funcionamento similar das janelas, das funções, dos menus, das caixas de diálogo, etc.). Quem concebe o instrumento virtual pode utilizar ferramentas de desenvolvimento de aplicações bem conhecidas, tais como o Visual Basic, o Turbo C, o Turbo Pascal, o LabWindows, o LabView ou o Excel, para desenvolver módulos de software (principais ou adicionais), possivelmente e no caso do MSWindows utilizando DDE (Dynamic Data Exchange) para facilmente poderem comunicar entre si.
• Medição Remota/Distribuída (Telemetria) Um ou mais computadores podem monitorizar/controlar vários instrumentos de medição ou outros equipamentos. Isto permite: - que um operador esteja a monitorizar um processo a partir de um laboratório ou sala de controlo, muitas vezes distante da localização física do processo (planta fabril, rede de energia eléctrica, sistema de domótica); - a disponibilidade de informação de diversos instrumentos/processos em apenas um computador, possibilita uma melhor monitorização e/ou controlo do sistema global.
• Performance A análise de certas grandezas que variam muito depressa, em tempo-real (a análise/processamento do sinal tem de ser feito à medida que o sinal acontece, não posteriormente), implica que a instrumentação utilizada tenha uma grande velocidade de aquisição, processamento e eventualmente até de visualização. Um instrumento virtual poderá não ter capacidade de desempenho suficiente para atingir esses objectivos (devido, por exemplo, aos atrasos nas comunicações entre instrumentos e computador). Por exemplo, existem osciloscópios “digitais” de largura de banda igual a 1 GHz (o que lhes permite visualizar sinais com variações até 10^9 ciclos por segundo). Não existe, pelo menos do conhecimento do autor, nenhuma placa de aquisição de dados que atinja essa velocidade de aquisição.

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3. C ONSTITUIÇÃO BÁSICA DE UM A MPERÍMETRO, V OLTÍMETRO E

OHMÍMETRO

Tanto um amperímetro, como um voltímetro, como um ohmímetro podem ser obtidos a partir de um aparelho que mede corrente (AMC) em associação com resistências eléctricas. Um AMC poderá ser por exemplo um galvanómetro, um amperímetro (digital ou analógico) ou um microamperímetro. A única questão é, dependendo do AMC e do alcance que pretendemos, dimensionar convenientemente as resistências a associar (em série e/ou em paralelo).

Para o dimensionamento de um amperímetro, de um voltímetro e de um ohmímetro, é fundamental conhecer a resistência do AMC.

3.1. Montagem de um Amperímetro

Para obtermos os vários alcances de um amperímetro, apenas temos de escolher as resistências adequadas a colocar em paralelo com o AMC, isto é, qualquer resistência em paralelo com o AMC desvia corrente deste. É importante considerar que o AMC tem uma dada corrente máxima admissível que o pode percorrer, e que, como o próprio nome indica, não deve ser ultrapassada, sob risco de danificação do AMC.

Se a resistência, normalmente designada de resistência de shunt, desvia alguma corrente do AMC, isto significa que no conjunto AMC - resistência de shunt poderá passar uma corrente superior à corrente máxima suportada pelo AMC. A relação entre o valor da resistência interna do AMC e da resistência de shunt ditará o factor multiplicador do shunt, isto é, quantas vezes é que a corrente total (do conjunto) será superior à corrente máxima admissível no AMC).

AM C IS Rs

IT Iamc

Figura 10: Montagem de um amperímetro

As equações que regem o circuito permitem chegar à relação entre a corrente que percorre o AMC (Iamc ) e a corrente total (IT )

I I I R I R I

I

R R I^ I^ I^

R R I

I I

R R

T AMC S AMC AMC S S

S

AMC S AMC^ T^ AMC

AMC S AMC

T AMC

AMC S

= + ∧ = ⇒

= ∧ = + ⇒

= +

 



 



.. . 1

Define-se então o factor (poder) multiplicador do shunt como:

m

I I

T AMC

=

m - poder multiplicador do shunt ou factor multiplicador do shunt. É o valor pelo qual se deve multiplicar a indicação de corrente do AMC para se obter a corrente total do circuito principal