Medidas Elétricas: Princípios e Componentes de Instrumentos Elétricos Magnéticos, Notas de estudo de Eletrônica

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MEDIDAS ELÉTRICASMEDIDAS ELÉTRICASMEDIDAS ELÉTRICASMEDIDAS ELÉTRICASMEDIDAS ELÉTRICAS

SENAI/SC 2

José Fernando Xavier Faraco

Presidente da FIESC

Sérgio Roberto Arruda

Diretor Regional do SENAI/SC

Antônio José Carradore

Diretor de Educação e Tecnologia do SENAI/SC

Marco Antônio Dociatti

Diretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC

SENAI/SC 4

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S491s

SENAI. SC. Medidas Elétricas. Florianópolis: SENAI/SC, 2004. 42 p.

1. Medida Elétrica. 2. Medição Elétrica. 3. Instrumento de Medição Elétrica. I. Título.

CDU: 612.

SENAI/SC

• 1 Introdução.................................................................................................................... SUMÁRIO
• 2 Princípios de Funcionamento dos Instrumentos de Medição
  • 2.1 Instrumento Bobina móvel e Imã permanente (BMIP)..........................................
  • 2.2 Ferro Móvel.........................................................................................................
  • 2.3 Instrumento do tipo eletrodinâmico.....................................................................
• 3 Erros
  • 3.1 Definição Segundo a ABNT (NB-278/73)
    • 3.1.1 Erro
    • 3.1.2 Valor Verdadeiro..........................................................................................
    • 3.1.3 Exatidão.......................................................................................................
    • 3.1.4 Precisão.......................................................................................................
    • 3.1.5 Classe de Exatidão......................................................................................
    • 3.1.6 Índice de Classe (IC)
    • 3.1.7 Erro Absoluto
    • 3.1.8 Erro Relativo ( ε )...........................................................................................
    • 3.1.9 Escala de um Instrumento
    • 3.1.10 Valor de Plena Escala
  • 3.2 Classificação dos Erros
    • 3.2.1 Erros Grosseiros..........................................................................................
    • 3.2.2 Erros Sistemáticos.......................................................................................
    • 3.3.3 Erros Alegóricos
• 4 Simbologia
  • 4.1 Símbolos do Sistema de Medição de Instrumentos e Acessórios
  • 4.2 Símbolos para Natureza da Corrente e Número de Sistemas de Medição
  • 4.3 Símbolos para ensaio de Tensão
  • 4.4 Símbolo de Classe de Exatidão..........................................................................
  • 4.5 Símbolo para posição de uso:
  • 4.6 Exemplo:.............................................................................................................
• 5 Do Relatório..............................................................................................................
  • 5.1 Objetivo...............................................................................................................
  • 5.2 Material utilizado.................................................................................................
  • 5.3 Desenvolvimento
  • 5.4 Análise e Interpretação.......................................................................................
• 6 Exercícios
• Referências Bibliográficas

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N S

N

S

2 P 2 P RIRINNCCÍÍPPIIOOSS DDEE FF UNUNCCIIOONNAAMMEENNTTOO DDOOSS II NNSSTTRRUUMMEENNTTOOSS DDEE MM EE--

DIDIÇÇÃÃOO

2. 2 .11 IInnssttrruummeennttoo BBoobbiinnaa mmóóvveell ee IImmãã ppeerrmmaanneennttee ((BBMMIIPP))

Uma corrente elétrica ao percorrer um condutor, cia em torno do mesmo, um campo magnético, cuja direção depende do sentido da corrente.

Fig. 01 Fig. 02

Se a corrente (i) for constante (cc) o campo será constante;

Se a corrente (i) for variável (ca) o campo será variável;

Quando colocarmos uma bobina no centro de um campo magnético d um imã perma- nente em forma de “U”; A corrente elétrica, ao circular pela bobina, cria na mesma um campo magnético norte e sul, Este, por sua vez, faz a bobina deslocar-se no seu eixo para a esquerda ou para a direita, atraída ou repelida pêlos pólos do imã permanente.

Fig. 03

Os instrumentos eletromagnéticos do tipo bobina móvel tem seu princípio de funcio- namento baseado nessa atração e repulsão, que ocorre entre o campo magnético cri- ado na bobina e o campo magnético do imã permanente.

i i

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A

F

C

E

D

B

N S

N

S _ (^) +

_ (^) +

N S N

S

+^ _

_ +

Esses instrumentos são compostos basicamente de:

A – imã permanente em forma de U

B – Bobina móvel com núcleo de ferro fundido

C – eixo, que interliga o ponteiro e a bobina móvel

E – molas, que fazem o ponteiro retornar ao zero da escala, quando não circulam corrente pela bobina

F – escala graduada

Se aplicarmos a corrente no sentido a direita, os pólos terão formação idêntica ao ilus- trados.

Note que, neste caso, a bobina tenderá a movimentar-se para a direita, com o seu pólo norte sendo atraído pelo pólo sul do imã permanente.

Fig. 05

Quando a corrente estiver em sentido contrário, os pólos terão formação também in- versa. Nesta situação a bobina tenderá a movimentar-se para esquerda.

Fig. 06 O deslocamento da bobina para esquerda ou para direita será maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver percorrendo.

Fig. 04

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2 2..22 FFeerrrroo MMóóvveell

Quando colocado no interior de uma bobina duas laminas de ferro, com a passagem da corrente elétrica, as duas lâminas terão identidade de polarização, isto é, haverá formação de pólos iguais nos seus extremos.

Portanto, as duas lâminas terão a repelir-se, uma vez que, pela lei de atração e repul- são, pólos iguais se repelem.

Fig. 08 Fig. 09

Os instrumentos de medidas elétricas eletromagnéticos de tipo móvel tem seu princi- pio de funcionamento baseado nessa repulsão que ocorre entre duas lâminas de ferro colocadas dentro de uma bobina.

Esses instrumentos apresentam os seguintes componentes básicos:

Fig. 10

A – bobina magnetizante; B – placa de ferro fixa; C – placas de ferro móvel; D – ponteiros; E – eixo que interliga a placa móvel e o ponteiro; F – mola que faz o ponteiro retornar a posição de repouso; G – escala graduada;

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A figura abaixo é uma forma esquemática do instrumento tipo ferro móvel, onde:

Fig.

A – representa a bobina magnetizante; B – representa a placa de ferro fixa; C – representa a placa de ferro móvel, acoplada ao ponteiro.

Observe novamente a figura acrescida da corrente elétrica em circulação:

Note que quando a corrente elétrica circula pela bobina A, será formada um campo magnético, que magnetizará as placas B e C. Como estas placas estão alinhadas na mesma direção, elas se magnetizarão com pólos iguais. Por isso a placa móvel C ten- derá se afastar (repulsão) da placa fixa B, arrastando consigo o ponteiro.

Fig. 12

O afastamento da placa móvel C da placa fixa B será maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver circulando pela bobina.

Os instrumentos de medida elétrica tipo ferro móvel funcionam tanto em corrente con- tínua como em corrente alternada.

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Com a inversão da corrente estamos invertendo também o sentido do campo magnéti- co na bobina, e conseqüentemente, a formação dos pólos nas extremidades das pla- cas, ou seja:

• Pólo sul na placa fixa e
• Pólo sul na placa móvel.

Corrente alternada

A CA inverte o sentido várias vezes durante o percurso.

Veja, por exemplo, uma CA de 60 Hz.

O seu sentido é invertido 120 vezes durante um segundo.

Portanto, quando aplicamos CA, é como se aplicássemos CC, invertendo o sentido muitas vezes.

Durante as variações de CA, ocorrem mudanças no sentido do campo magnético for- mado pela bobina. Conseqüentemente a polaridade das placas também muda.

No entanto, formam-se pólos sempre iguais nos extremos das placas fazendo com que estas tenham a tendência de se repelir mutuamente.

Instrumento Eletromagnético do Tipo Ferro Móvel Amperímetro

Fig. 15

Como você pode observar, o instrumento de medida elétrica tipo ferro móvel, quando usado como voltímetro, apresenta os mesmos componentes básicos. Variam apenas as características da bobinas e a escala, que nesse caso, é graduada em voltas.

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Os voltímetros são conectados em paralelo. Por isso, sua bobina deve Ter uma impe- dância que absorva toda a tensão do ponto a ser medido.

Fig. 16

Essa absorção deve ocorrer com menor consumo de energia possível – o consumo essencial para magnetizar a bobina.

Por essa razão, as bobinas dos voltímetros tipo ferro móvel são confeccionados com muitas espiras em fio fino.

Instrumento Eletromagnético do Tipo Ferro Móvel Voltímetro

Fig. 17

Os amperímetros são conectados em série. Por isso, sua bobina não deve Ter uma impedância, que absorva parte do potencial da carga.

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Observe que o princípio de funcionamento eletrodinâmico com bobinas cruzadas é composto de duas bobinas móveis interligadas entre si, cruzadas e colocadas sob influência do campo magnético da bobina fixa.

Ao receber tensão, cada uma das bobinas cria campo magnético próprios que intera- gem e provocam o deslocamento das bobinas móveis, que por sua vez, arrastam o ponteiro a elas acopladas.

Fig. 20

O deslocamento das bobinas móveis será para direita ou para esquerda, de acordo com o valor da corrente em cada uma.

Porém quando os valores forem iguais, haverá equilíbrio e as bobinas se ajustarão sobre um ponto central, como você pode observar na ilustração anterior.

Quando não conectados á rede, os ponteiros deste tipo de instrumento podem tomar qualquer posição sobre sua escala graduada.

Dentre os instrumentos de medição temos os seguintes, que utilizam o princípio de funcionamento eletrodinâmico:

- Wattímetro - Fasímetro e - Megômetro

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3 E 3 E RRRROOSS

3. 3 .11 DDeeffiinniiççããoo SSeegguunnddoo aa AABBNNTT ((NNBB--2 2778 8//7 73 3)) 3. 3 .11..11 EErrrroo

É o desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como ver- dadeiro).

3. 3 .11..22 VVaalloorr VVeerrddaaddeeiirroo

É o valor exato da medida de uma grandeza obtido quando nenhum tipo de erro incide na medição.

Na prática é impossível eliminar todos os erros e a obtenção de um valor aceito como verdadeiro, que substitui o valor verdadeiro. É a medida de uma amostra de um de- terminado número de medidas técnicas, usando o mesmo material e mantendo-se na medida do possível, as mesmas condições ambientais.

Assim:

δX = Xm – Xp = Xm – Xv Xm = Valor da grandeza obtido através da medida. Xp = Valor padrão da grandeza, obtido através do método de referência cons- truído na prática. Xv = Valor verdadeiro da grandeza, que é um valor ideal, supondo a supressão total de todo o tipo de erro.

Na falta de Xv aceita-se Xp, que é denominado, então, de valor de referência tomado como verdadeiro.

3. 3 .11..33 EExxaattiiddããoo

É a característica de um instrumento de medida que exprime o afastamento entre a medida nele observada e o valor de referência aceito como verdadeiro.

3. 3 .11..44 PPrreecciissããoo

Refere-se a maior ou menor aproximação da medida em termos de casas decimais. A precisão, portanto revela o grau de rigorismo com que um instrumento de medida indi- ca o valor de uma certa grandeza.

3. 3 .11..55 CCllaassssee ddee EExxaattiiddããoo

É o limite de erro, garantido pelo fabricante de um instrumento, que se pode cometer em qualquer medida efetuada pelo mesmo.

3. 3 .11..66 ÍÍnnddiiccee ddee CCllaassssee ((IICC))

Número que designe a classe de exatidão, o qual deve ser tornado como uma porcen- tagem do valor de plena escala de um instrumento.

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3. 3 .22..11 EErrrrooss GGrroosssseeiirrooss

São devidos à falta de atenção; são resultados de enganos nas leituras e anotações de resultados.

São de inteira responsabilidade do operador e não podem ser tratados matematica- mente.

Para evitá-los é necessário proceder à repetição dos trabalhos, mas é necessário, sobretudo, que se trabalhe com muita atenção.

ƒ Erros de Leitura

- São devidas as influências do operador e dependem das características do sistema de leitura. - Erro de paralaxe. 3. 3 .22..22 EErrrrooss SSiisstteemmááttiiccooss

São ligados às deficiências do método, do material empregado ou da avaliação da medida do operador. Estes erros podem ser classificados como:

- De construção e ajuste; - De leitura; - Inerente ao método; - Devido a condições externas.

ƒ A – Erros de construção e ajuste

- Erros de graduação da escala na indústria. - Erros de ajuste entre pinos e eixos, assim como de componentes elétricos.

Estes erros tendem a crescer com a idade do instrumento devido a:

- Oxidação; - Desgaste dos contactos entre peças móveis e fixas. - Variação dos coeficientes de elasticidade de molas. Estes tipos de erros são deferentes em diferentes pontos da escala. Eles podem ser contornados através da construção de uma tabela de correção de erros.

ƒ B – Erros de Paralax

- São resultados do ângulo de observação (paralaxe) do operador.

Estes erros podem ser limitados usando-se dois ou mais operadores e/ou equipando o instrumento com um espelho junto à escala.

ƒ C – Erros Inerentes ao Método

Ocorre quando a medida é obtida por métodos que necessitem de processamento indireto de grandezas auxiliares.

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ƒ D – Erros Devidos às Condições Externas

- São aqueles inerentes a condições à medida de uma grandeza. Podem resultar de: variações de temperatura, pressão, umidade, presença de campos elétricos, etc. 3. 3 .33..33 EErrrrooss AAlleeggóórriiccooss - São erros devido ao imponderável. São erros essencialmente variáveis e não sus- cetíveis de limitações.