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medidas eletricas
Tipologia: Notas de estudo
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Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia El´etrica
Natal/RN - Brasil Semestre 2008.
Medida ´e um processo de compara¸c˜ao de grandezas de mesma esp´ecie, ou seja, que possuem um padr˜ao ´unico e comum entre elas. Duas grandezas de mesma esp´ecie possuem a mesma dimens˜ao. No processo de medida, a grande que serve de compara¸c˜ao ´e denominada de “grandeza unit´aria”ou “padr˜ao unit´ario”. As grandezas f´ısicas s˜ao englobadas em duas categorias:
a. Grandezas fundamentais (comprimento, tempo, etc.).
Grandezas Fundamentais Grandeza Unidade Simbologia Comprimento metro [m] Massa quilograma [kg] Tempo segundo [s] Intensidade de Corrente amp´eres [A] Temperatura Termodinˆamica kelvin [K] Quantidade de Mat´eria mole [mol] Intensidade Luminosa candela [cd]
b. Grandezas derivadas (velocidade, acelera¸c˜ao, etc.).
Resistˆencia: O padr˜ao do ohm ´e normalmente baseado num fio de manganina (84% Cu, 12% M n e 4% N i) enrolado sob a forma de bobina e imerso num banho de ´oleo a temperatura constante. A resistˆencia depende do comprimento e do diˆametro do fio, possuindo valores nominais entre 10−^4 Ω e 10^6 Ω.
Capacitˆancia: O padr˜ao do farad ´e baseado no c´alculo de capacitores de geometria precisa e bem definida com um diel´etrico de propriedades est´aveis e bem conhecidas. Normalmente usam-se duas esferas ou 2 cilindros concˆentricos separados por um diel´etrico gasoso.
Indutˆancia: O padr˜ao do henri ´e tamb´em baseado no c´alculo de indutores sob a forma de bobinas cil´ındricas e longas em rela¸c˜ao ao diˆametro com uma ´unica camada de espiras.
Aferi¸c˜ao ´e o procedimento de compara¸c˜ao entre o valor lido por um instrumento e o valor padr˜ao apropriado de mesma natureza. Apresenta car´ater passivo, pois os erros s˜ao determinados, mas n˜ao corrigidos.
Calibra¸c˜ao ´e o procedimento que consiste em ajustar o valor lido por um instrumento com o valor de mesma natureza. Apresenta car´ater ativo, pois o erro, al´em de determi- nado, ´e corrigido.
De acordo com a causa, ou origem, dos erros cometidos nas medidas, estes podem ser classificados em: grosseiros, sistem´aticos e acidentais. E de acordo com suas carac- ter´ısticas, estes podem ser classificados em: constantes, aleat´orios e peri´odicos.
Estes erros s˜ao causados por falha do operador, como por exemplo, a troca da posi¸c˜ao dos algarismos ao escrever os resultados, os enganos nas opera¸c˜oes elementares efetuadas, ou o posicionamento incorreto da v´ırgula nos n´umeros contendo decimais. Estes erros podem ser evitados com a repeti¸c˜ao dos ensaios pelo mesmo operador, ou por outros operadores.
S˜ao os ligados `as deficiˆencias do m´etodo utilizado, do material empregado e da apre- cia¸c˜ao do experimentador.
a. A constru¸c˜ao e aferi¸c˜ao de um aparelho de medida nunca podem ser perfeitas. Por outro lado, h´a sempre uma divergˆencia, embora pequena, entre a an´alise te´orica de
um circuito e o comportamento pr´atico deste circuito. As hip´oteses de base da teoria n˜ao s˜ao inteiramente realiz´aveis na pr´atica. Basta mencionar, como exemplo, o consumo de energia dos aparelhos de medida e as varia¸c˜oes das caracter´ısticas f´ısicas ou el´etricas dos elementos que constituem o circuito. Este conjunto de imperfei¸c˜oes constitui a deficiˆencia do m´etodo.
b. A pr´opria defini¸c˜ao dos erros sistem´aticos indica quais s˜ao os meios de limita¸c˜ao. O material empregado deve ser aferido: medidores, pilhas, resistˆencias, capacitores, etc. O seu controle deve ser peri´odico. Um modo simples de verificar a presen¸ca ou ausˆencia de erro sistem´atico consiste na repeti¸c˜ao da mesma experiˆencia, substi- tuindo os elementos iniciais por elementos teoricamente iguais. A identifica¸c˜ao dos resultados d´a como conclus˜ao a ausˆencia do erro sistem´atico; por´em, a discordˆancia indidca que h´a um erro, no m´etodo ou no material, sem identificar qual dos dois ´e o respons´avel.
c. H´a experimentadores que tˆem a peculiaridade de fazer a leitura maior do que a real, enquanto outros a fazem menor. Este erro pode ser limitado tomando-se como resultado a m´edia aritm´etica das leituras de v´arias pessoas.
A experiˆencia mostra que, a mesma pessoa, realizando os mesmos ensaios com os mesmos elementos constitutivos de um circuito el´etrico, n˜ao consegue obter, cada vez, o mesmo resultado. A divergˆencia entre estes resultados ´e devida `a existˆencia de um fator incontrol´avel, o “fator sorte”. Para usar uma terminologia mais cient´ıfica, diremos que os erros acidentais s˜ao a conseq¨uˆencia do “imponder´avel”. Como j´a foi dito, s˜ao erros essencialmente vari´aveis e n˜ao suscet´ıveis de limita¸c˜ao.
Erros invari´aveis em aplitude e polaridade devido a imprecis˜oes instrumentais. Em geral, podem ser facilmente corrigidos pela compara¸c˜ao com um padr˜ao conhecido da medida.
Erros vari´aveis em amplitude e polaridade, mas que obedecem a uma certa lei (por exemplo, a n˜ao linearidade de um conversor A/D). Podem ser eliminados pela medi¸c˜ao repetitiva sob condi¸c˜oes distintas e conhecidas.
Erros Aleat´orios s˜ao todos os erros restantes, possuem amplitude e polaridade vari´aveis e n˜ao seguem necessariamente uma lei sistem´atica. S˜ao em geral pequenos, mas n˜ao est˜ao presentes em qualquer medida, provenientes de sinais esp´urios, condi¸c˜oes vari´aveis de observa¸c˜ao, ru´ıdos do pr´oprio instrumento.
A m´edia aritm´etica ¯x ´e dada a partir da equa¸c˜ao a seguir.
¯x =
∑^ n i= xi n
onde xi s˜ao os valores medidos e n ´e o n´umero de medidas. O res´ıduo r ´e a diferen¸ca ente a m´edia e cada uma das medidas r = (¯x − xi).
O erro padr˜ao σ ´e encontrado a partir de uma s´erie de leituras e fornece uma estima- tiva da amplitude do erro presente nestas medidas e consequentemente sua precis˜ao. A determina¸c˜ao precisa do erro padr˜ao σ implica num grande n´umero de leituras.
σ =
r^2 n − 1
sendo:
r^2 = (¯x − x 1 )^2 + (¯x − x 2 )^2 +... + (¯x − xi)^2
Distibui¸c˜ao Normal ou Curva Gaussiana
y = √ 21 πσ 2 · e−^
r^2 2 σ^2
onde σ^2 ´e a variˆancia, tp ´e o ponto de retorno ( dydx = 0) e pi s˜ao os pontos de inflex˜ao
( d
(^2) y d^2 x = 0). A ´area hachurada na curva representa 68, 3% da ´area total que equivale ao conjunto de todas as medidas. O erro padr˜ao σ de uma s´erie de medidas indica ent˜ao uma proba- bilidade de 68, 3% que o valor verdadeiro da medida esteja entre −σ e +σ do valor m´edio x¯ do conjunto de dados. Consequentemente 2σ ⇒ 95 , 4% e 3σ ⇒ 99 , 7%.
O erro limite L ´e uma forma de indica¸c˜ao da margem de erro baseada nos valores extremos (m´aximo e m´ınimo) poss´ıveis. Em geral, ´e definido como uma porcentagem do valor padr˜ao ou fundo de escala. Sup˜oe uma probabilidade te´orica de 100% de que o valor verdadeiro (yv) esteja no intervalo y ± L. Apesar de menos rigorosa, esta medida de erro ´e mais popular que o erro padr˜ao, pois indica o erro de forma mais direta e facilmente compreens´ıvel por um leigo. Numa avalia¸c˜ao rigorosa de dados, sempre que poss´ıvel deve-se usar a defini¸c˜ao de erro padr˜ao. Exemplo:
a. R = 10kΩ ± 5%;
b. C = 10μF + 20% − 10%;
c. Em um instrumento: “precis˜ao”= 5% (o termo “precis˜ao”utilizado aqui deve ser substitu´ıdo por “erro”).
O valor verdadeiro xv da grandeza a ser medida ´e, em geral, desconhecido. Atrav´es da teoria de erros pode-se determinar, com alto grau de exatid˜ao, o valor mais prov´avel xp e o quanto este valor ifere do valor verdadeiro. Num conjunto de medidas onde os erros predominantes s˜ao aleat´orios, o valor mais prov´avel corresponde `a m´edia aritm´etica xp ≡ x¯.
Faixa de valores compreendida entre xp ± σ (ou 2σ, 3σ,... ) ou xp ± L. Considerando um conjunto de medidas quaisquer, a probabilidade de que o valor verdadeiro xv esteja presente em xp ± σ ´e de 31, 7%.
S˜ao indicados a seguir alguns dados caracter´ısticos essenciais dos instrumentos el´etricos de medi¸c˜ao, dados estes importantes na utiliza¸c˜ao correta dos mesmos.
Natureza do instrumento ´e a caracter´ıstica que o identifica de acordo com o tipo de grandeza mensur´avel pelo mesmo. Exemplo: amper´ımetro, volt´ımetro, watt´ımetro, fas´ımetro, etc.
Sensibilidade ´e a caracter´ıstica de um instrumento de medi¸c˜ao que exprime a rela¸c˜ao entre o valor da grandeza medida e o deslocamento da indica¸c˜ao. Exemplo: dois am- per´ımetros s˜ao postos em s´erie para medir uma mesma corrente I. No primeiro, observa- se uma indica¸c˜ao de x divis˜oes na escala e no segundo, uma indica¸c˜ao de 2x divis˜oes. Diz-se, ent˜ao, que a sensibilidade do segundo amper´ımetro ´e o dobro da sensibilidade do primeiro.
Resolu¸c˜ao ´e o menor incremento que se pode assegurar na leitura de um instrumento, o que corresponde `a menor divis˜ao marcada na escala do instrumento.
Mobilidade ´e a menor varia¸c˜ao da grandeza medida capaz de usar um deslocamento percept´ıvel no ponteiro ou na imagem luminosa.
Perda pr´opria ´e a potˆencia consumida pelo instrumento correspondente `a indica¸c˜ao final da escala, correspondente ao calibre. Exemplo: um amper´ımetro de calibre 10A e resistˆencia pr´opria 0, 2Ω tem uma perda pr´opria de 20W. E desej´´ avel que os instrumentos el´etricos de medi¸c˜ao tenham a m´ınima perda pr´opria a fim de que n˜ao perturbem o circuito em que est´a ligado, sobretudo este circuito trata-se de um circuito de pequena potˆencia. Os instrumentos eletrˆonicos de medi¸c˜ao s˜ao considerados de perda pr´opria praticamente nula.
Eficiˆencia de um instrumento ´e a rela¸c˜ao entre o seu calibre e a perda pr´opria. Exem- plo: levando em considera¸c˜ao o exemplo do item anterior, a eficiˆencia do amper´ımetro seria: 10A/ 20 W = 0, 5 A/W. No caso de volt´ımetro ´e usual exprimir a eficiˆencia em Ω/V , pois: V /W = RI/V I = R/V. Dois volt´ımetros, um de 800Ω/V e outro de 5000Ω/V , o segundo tem melhor eficiˆencia que o primeiro.
Rigidez diel´etrica caracteriza a isola¸c˜ao entre a parte ativa e a carca¸ca do instrumento. A rigidez diel´etrica ´e expressa por um certo n´umero de quilovolts, chamado de “tens˜ao de prova”ou “tens˜ao de ensaio”, o qual representa a tens˜ao m´axima que se pode aplicar entre a parte ativa e a carca¸ca do instrumento sem que lhe cause danos. Estes valores s˜ao representados nos instrumentos simbolicamente por uma estrela con- tendo, ou n˜ao, um n´umero em seu interior.
Definido pelos padr˜oes internacionais, a categoria de medi¸c˜ao define categorias de I a IV, onde os sistemas s˜ao divididos de acordo com a distribui¸c˜ao de energia. Esta divis˜ao ´e baseada no fato de que um transiente perigoso de alta energia, como um raio, ser´a atenuado ou amortecido `a medida que passa pela impedˆancia (resistˆencia CA) do sistema.
Exatid˜ao ´e a caracter´ıstica de um instrumento de medi¸c˜ao que exprime o afastamento entre a medida nele efetuada e o valor de referˆencia aceito como verdadeiro. O valor da exatid˜ao de um instrumento de medi¸c˜ao ou de um acess´orio ´e definido pelos limites do erro intr´ınseco e pelos limites da varia¸c˜ao na indica¸c˜ao. Como se vˆe, a exatid˜ao de um instrumento ´e considerada em rela¸c˜ao a um padr˜ao, a um valor aceito como verdadeiro. Pode-se dizer que a exatid˜ao est´a diretamente relacionada com as caracter´ısticas pr´oprias do instrumento, a forma como foi projetado e constru´ıdo. Os erros sistem´aticos ´e que definem se um instrumento ´e mais exato ou menos exato que outro. A exatid˜ao vem indicada nos instrumentos el´etricos de medi¸c˜ao e nos acess´orios atrav´es da sua “classe de exatid˜ao”.
quando se diz que determinado resultado tem uma repetibilidade de 0, 5% isto que dizer que a rela¸c˜ao σ/x¯ ≤ 0 , 005, onde σ ´e o desvio padr˜ao. A repetibilidade ´e um pr´e-requisito da exatid˜ao, mas a repetibilidade n˜ao garante a exatid˜ao. As medidas efetuadas poder˜ao ser t˜ao mais precisas quanto mais exato for o instrumento empregado. Exemplo: Suponhamos um volt´ımetro, constru´ıdo com certa classe de exatid˜ao, tem sua resistˆencia original substitu´ıda por outra de maior valor. Este volt´ımetro continua a fazer medidas com a mesma repetibilidade, entretanto a sua exatid˜ao pode estar muito diferente daquela que ele tinha quando estava com a resistˆencia original. A exatid˜ao das medidas somente pode ser comprovada atrav´es da compara¸c˜ao do instrumento com um padr˜ao. Exemplo: Suponhamos dois volt´ımetros de mesmo calibre, um de classe de exatid˜ao 2 e outro de classe de exatid˜ao 1. Os dois volt´ımetros poder˜ao fazer medidas com a mesma repetibilidade, por´em o segundo indicar´a valores mais exatos, pois estes estar˜ao mais pr´oximos do valor aceito como verdadeiro.
Os primeiros instrumentos utilizados para medidas de grandezas el´etricas eram ba- seados na deflex˜ao de um ponteiro acoplado a uma bobina m´ovel imersa em um campo magn´etico. Uma corrente aplicada na bobina produz o seu deslocamento pela for¸ca de Lo- rentz. Um mecanismo de contra-rea¸c˜ao (em geral uma mola) produz uma for¸ca contr´aria de modo que a deflex˜ao do ponteiro seja proporcional a corrente na bobina. Estes instrumentos anal´ogicos est˜ao em desuso em fun¸c˜ao de suas qualidades inferiores se comparadasas dos instrumentos digitais (imprecis˜oes de leitura, fragilidade, desgaste mecˆanico, dif´ıcil automa¸c˜ao de leitura, etc.). Os instrumentos digitais atuais s˜ao inteiramente eletrˆonicos, n˜ao possuindo partes m´oveis (exceto seletores de escala e teclas). S˜ao mais robustos, precisos, est´aveis e
dur´aveis. S˜ao baseados em conversores anal´ogico/digital (A/D) e s˜ao facilmente adapt´aveis a uma leitura automatizada. Al´em disso, o custo dos instrumentos digitais ´e em geral inferior (com exce¸c˜ao dos oscilosc´opios). Contudo, iremos estudar os princ´ıpios gerais sobre instrumentos eletromecˆanicos de medi¸c˜ao para entendermos melhor o avan¸co dos instrumentos digitais.
Os instrumentos el´etricos empregados na medi¸c˜ao das grandezas el´etricas tˆem sempre um conjunto que ´e deslocado aproveitando um dos efeitos da corrente el´etrica: efeito t´ermico, efeito magn´etico, efeito dinˆamico, etc. Preso ao conjunto m´ovel est´a um ponteiro que se desloca na frente de uma escala graduada em valores da grandeza a que se destina o instrumento medir, como na figura abaixo.
A corrente el´etrica cont´ınua ao percorrer a bobina fica na presen¸ca do campo magn´etico do im˜a permanente. A intera¸c˜ao entre a corrente e o campo magn´etico origina as for¸cas aplicadas aos condutores da bobina, for¸cas estas que produzem um conjugado em rela¸c˜ao ao eixo de rota¸c˜ao do sistema, fazendo girar a bobina em torno deste eixo. Este conjunto assim originado ´e chamado de “conjugado motor”. Ao mesmo tempo as molas, com uma extremidade presa ao eixo da bobina e a outra a carca¸ca do instrumento, ficam sob tens˜ao mecˆanica e se op˜oem ao movimento de rota¸c˜ao da bobina, originando um “conjugado antagonista”ou “conjugado restaurador”. Estas molas, al´em da oposi¸c˜ao ao deslocamento do conjunto m´ovel, fazem-no voltara posi¸c˜ao inicial (posi¸c˜ao de repouso) cessado o efeito do conjugado motor. Para evitar as oscila¸c˜oes do conjunto m´ovel em torno da posi¸c˜ao de equil´ıbrio, cria- se um “conjugado de amortecimento”por meio de artif´ıcios externos ao sistema. Este “conjugado de amortecimento”evita tamb´em os deslocamentos bruscos do conjunto m´ovel ao partir da posi¸c˜ao de repouso, como ao voltar a ela cessado o efeito do conjugado motor. O conjunto m´ovel dos instrumentos el´etricos ´e assim submetido a trˆes conjugados:
Amortecimento por Atrito sobre L´ıquido
O l´ıquido mais usado ´e o ´oleo mineral, em virtude de suas caracter´ısticas, tamb´em como isolante. A viscosidade do ´oleo ´e escolhida de acordo com o mais intenso ou menos intenso amortecimento que se queira dar ao movimento do conjunto m´ovel. Demonstra-se tamb´em em dinˆamica dos l´ıquidos que o conjugado de amortecimento neste caso ´e ainda proporcional `a velocidade angular do conjunto m´ovel.
Esta ´e a parte mais delicada na constru¸c˜ao dos instrumentos el´etricos de medi¸c˜ao, devendo a suspens˜ao do conjunto m´ovel ser feita com tal perfei¸c˜ao a proporcionar um movimento sem nenhum atrito. H´a trˆes tipos de suspens˜oes mais empregadas: suspens˜ao por fio, por eixo (instrumento de “pivot”) e suspens˜ao magn´etica.
Suspens˜ao por Fio
Empregada, sobretudo, em instrumentos de alta sensibilidade, instrumentos de labo- rat´orio.
O fio de suspens˜ao mostrado na figura acima ´e, em geral, feito de uma liga f´osforo- bronze e tem trˆes finalidades: suportar o conjunto m´ovel; fornecer, por interm´edio da tor¸c˜ao, o conjugado antagonista; e servir como condutor para levar a corrente el´etrica a bobina. A extremidade superior do fio ´e presaa carca¸ca do instrumento e a sua por¸c˜ao inferior ´e feita em forma de mola para permitir regular a tens˜ao mecˆanica do fio e centralizar o conjunto m´ovel.
Suspens˜ao por Eixo
O eixo ´e feito de a¸co, tendo nas extremidades dois bicos pontudos de a¸co duro repou- sando sobre dois apoios de rubi ou safira sint´etica.
O eixo pode ser vertical ou horizontal, como na figura acima. Devido a este detalhe, deve-se ter o cuidado de utilizar o instrumento na posi¸c˜ao correta indicada pelo fabricante, no mostrador, por s´ımbolos que podem ser vistos na sess˜ao a seguir.
Suspens˜ao Magn´etica
E utilizada, sobretudo, nos instrumentos de eixo vertical.^ ´ Dois pequenos im˜as per- manentes s˜ao empregados: um preso ao eixo do conjunto m´ovel e outro `a carca¸ca do instrumento.
A suspens˜ao magn´etica pode ser de dois tipos: repuls˜ao, conforme a figura acima, em que p´olos de mesmo nome s˜ao colocados em presen¸ca na parte inferior do eixo; e atra¸c˜ao, conforme figura acima, em que p´olos de nomes contr´arios s˜ao colocados em presen¸ca na parte superior do eixo. O guia indicado nas figuras ´e feito de material n˜ao magn´etico e serve para evitar que o conjunto m´ovel fuja da posi¸c˜ao correta em que deve trabalhar. Esta suspens˜ao tem sido empregada com resultados satisfat´orios nos medidores de energia el´etrica, eliminando consideravelmente o atrito no apoio inferior, uma vez que com este artif´ıcio o conjunto m´ovel fica flutuando no ar. Isto fez com que a vida m´edia destes medidores aumentasse de 15 para 30 anos.
Os instrumentos el´etricos de medi¸c˜ao, conforme o modo de indica¸c˜ao do valor das grandezas medidas, podem ser classificados em trˆes tipos: indicadores, registradores e acumuladores, ou totalizadores.
Instrumentos Indicadores
Sobre uma escala graduada, eles indicam o valor da grandeza a que se destinam medir. Podem ser do tipo “ponteiro”para instrumentos anal´ogicos de suspens˜ao por eixo e do
Para fixar a id´eia, vamos dar um exemplo:
Significa¸c˜ao: instrumento de ferro m´ovel, para correntes cont´ınua e alternada, classe de exatid˜ao 1, deve ser utilizado com o mostrador na posi¸c˜ao horizontal, tens˜ao de ensaio 2 kV.
E aconselh´^ ´ avel que o operador somente utilize um instrumento el´etrico de medi¸c˜ao se tiver real certeza de que o est´a utilizando de modo correto. Esta precau¸c˜ao faz evitar acidentes para o operador e para o instrumento. Se o instrumento n˜ao ´e ainda conhecido para o operador, antes de coloc´a-lo em opera¸c˜ao, devem ser lidos os manuais de instru¸c˜oes fornecidos pelo fabricante. Para fazer a medida de uma grandeza el´etrica, ´e necess´ario selecionar o instrumento adequado tendo em vista v´arias condi¸c˜oes: