MEDIDAS ELÉTRICAS E CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS, Notas de aula de Engenharia Elétrica

Baixe MEDIDAS ELÉTRICAS E CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! CAPÍTULO 6 MEDIDAS ELÉTRICAS 6.1 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 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 a 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. c) Aleatórios Também chamados erros acidentais, devem-se a fatores imponderáveis (incertezas), como a ocorrência de transitórios em uma rede elétrica e ruídos * Erros de paralaxe acontecem quando são feitas leituras com ângulo desfavorável em instrumentos de ponteiro. ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow elétricos provenientes de sinais espúrios. Como não podem ser previstos, sua limitação é impossível. No tratamento de erros. os termos exatidão e precisão - embora sejam muitas vezes usados como sinônimos - têm significado diferentes: * Exatidão: é a propriedade que exprime o afastamento que existe entre o valor lido no instrumento e o valor verdadeiro da grandeza que se está medindo. * Precisão: característica de um instrumento de medição, determinada através de um processo estatístico de medições, que exprime o afastamento mútuo entre as diversas medidas obtidas de uma grandeza dada, em relação à média aritmética dessas medidas (Norma P-NB-278/73, da ABNT). A precisão é, portanto, uma qualidade relacionada com a repetibilidade das medidas, isto é, indica o grau de espalhamento de uma série de medidas em torno de um ponto. Para ilustrar a diferença, imagine-se um atirador tentando atingir um alvo, como ilustrado na Figura 6.1. Em (a) não houve exatidão nem precisão por parte do atirador; em (b) pode-se dizer que o atirador foi preciso, pois todos os tiros atingiram a mesma região do alvo, porém não foi exato, já que esta região está distante do centro; em (c) conclui-se que o atirador foi exato, além de preciso. Baixa exatidão Alta exatidão Alta precisão Alta precisão 6b) (c) Figura 6.1 - Exemplo de exatidão e precisão. A precisão é um pré-requisito da exatidão, embora o contrário não seja verdadeiro. Assim, dizer que um instrumento é preciso não implica, necessariamente, que seja exato. 6.2 CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS Os instrumentos de medidas elétricas podem ser classificados de várias formas, de acordo com o aspecto considerado a) Quanto à grandeza a ser medida: * —amperímetro: para a medida de corrente; * voltímetro: adequado para a medida de tensão; 48 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow 6.4 INSTRUMENTOS ANALÓGICOS O instrumento analógico tem como fundamentação básica a medida de corrente (amperímetro); adaptações feitas neste medidor permitem que seja usado para a medida de outras grandezas, como tensão e resistência. 6.4.1 Características Construtivas Os instrumentos analógicos baseiam sua operação em algum tipo de fenômeno eletromagnético ou eletrostático, como a ação de um campo magnético sobre uma espira percorrida por corrente elétrica ou a repulsão entre duas superfícies carregadas com cargas elétricas de mesmo sinal. São, portanto, sensíveis a campos elétricos ou magnéticos externos, de modo que muitas vezes é necessário blindá-los contra tais campos. O mecanismo de suspensão é a parte mais delicada de um instrumento analógico. É ele quem promove a fixação da parte móvel (geralmente um ponteiro) e deve proporcionar um movimento com baixo atrito. Os tipos de suspensão mais utilizados são: * por fio, usado em instrumentos de precisão, devido ao excepcional resultado que proporciona; * por pivô (conhecido também como mecanismo d” Arsonval), composto de um eixo de aço (horizontal ou vertical) cujas extremidades afiladas se apóiam em mancais de rubi ou safira sintética; * suspensão magnética, devida à força de atração (ou repulsão) de dois pequenos ímãs, um dos quais preso à parte móvel e o outro fixado ao corpo do aparelho. A escala é um elemento importante nos instrumentos analógicos, já que é sobre ela que são feitas as leituras. Entre suas muitas características podem-se ressaltar as seguintes: * Fundo de escala” ou calibre: o máximo valor que determinado instrumento é capaz de medir sem correr o risco de danos. * 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 aquelas mostradas na Figura 6.4; caso contrário, a escala é chamada não-linear (heterogênea), como a que aparece acima do espelho da Figura 6.5. * 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 6.4 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: 0 — 200 mA - miliamperímetro, a com zero à esquerda. 120 -0 -120 V - voltímetro, escala com zero central. 40 - 0200 V - voltímetro, escala com zero deslocado. 10 — 200 Aamperímetro, escala com zero suprimido. 3 , . Este nome é usado porque usualmente corresponde ao valor marcado no fim da escala. 51 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow s 20 és º s & VOLTS a & VOLTS & Sinos Simon (a) (b) 25 30 s 12.18 20 20, natblbbiho, 36 o pssbidiio x 7 a sS z S Sempuon 15 AMPERES D.C. 40 MILLIVOLTS D.C. Figura 6.4 - Classificação de escalas de acordo com a posição do zero: (a) zero à direita; (b) zero central; (c) zero suprimido; (d) zero deslocado. (Simpson Electric Co.). * Correção do efeito de paralaxe: muitos instrumentos possuem um espelho logo abaixo da escala graduada, como mostrado na Figura 6.5; neste caso, a medida deverá ser feita quando a posição do observador é tal que o ponteiro e sua imagem no espelho coincidam. 20 1 | espelho Figura 6.5 — Espelho para correção do erro de paralaxe. 6.4.2 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”. 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 (Ima). Então 1 s=— (6.1) max * Como se costuma dizer, "carregam" o circuito. é O conceito de sensibilidade para instrumentos digitais é um pouco diferente e será analisado na seção 6.5.2. 52 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow Considerando a Lei de Ohm (Equação 3.1), para a qual 1 À = 1 V/Q, deduz-se que a sensibilidade é dada em ohms por volts (0/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 kO/V. * Valor fiducial É o valor de referência para a especificação da classe de exatidão (v. próxima seção) 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 6.1. Tabela 6.1 - Valor fiducial de instrumentos de medida Tipo de escala Valor fiducial Zero à esquerda Valor de fundo de escala Zero central ou deslocado Soma dos valores das duas escalas Zero suprimido Valor de fundo de escala * 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. 6.5.3 Simbologia Os painéis dos instrumentos de medidas analógicos normalmente apresentam gravados em sua superfície uma série de símbolos que permitem ao operador o conhecimento das características do aparelho. * Tipo de instrumento Os símbolos para alguns dos principais tipos de medidores são mostrados na Tabela 6.2. Tabela 6.2. - Simbologia de instrumentos de medidas elétricas | Bobina móvel % * Geral Com retificador Com par Com circuito Com medidor termelétrico eletrônico de quociente Ferro móvel Eletrodinâmico Geral Com lâmina bimetálica Com medidor de quociente 53 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow A Tabela 6.4 apresenta as principais vantagens e desvantagens de cada um pode auxiliar na tomada de decisão sobre qual tipo de visor é mais adequado às condições da medida.. Tabela 6.4 — Comparação entre displays de LEDs e de cristal líquido. Tipo Vantagens Desvantagens * pode ser visualizado virtualmente * consumo de energia mais de qualquer ângulo; elevado que os LCDs; * proporciona leituras mais fáceis à * difícil leitura sob a luz solar. distância; * via de regra é mais durável que os LED LCDs; * pode ser usado em ambientes com pouca luz; * seu tempo de resposta varia muito pouco com a temperatura ambiente; * pode ser usados em condições ambientais mais adversas. * permite leituras em ambientes * uso em ambientes com pouca externos, mesmo sob incidência luz exige iluminação de fundo LCD direta de luz solar; (backlit); * consumo de energia muito baixo. * tempo de resposta decresce em baixas temperaturas. 6.5.2 Principais Características Operacionais * Resolução Como no caso dos instrumentos analógicos, esta característica está relacionada à capacidade de diferenciar grandezas com valores próximos entre si. Em um instrumento digitais, a resolução é dada pelo número de dígitos ou contagens de seu display. Um instrumento com 3! dígitos tem 3 dígitos “completos” (isto é, capazes de mostrar os algarismos de O até 9) e 1 “meio dígito”, que só pode apresentar 2 valores: O (nesse caso o algarismo está “apagado”) ou 1; portanto, este instrumento pode contar até 1999. Um outro instrumento de 4% dígitos tem maior resolução, pois pode apresentar 19999 contagens. Instrumentos com contagem de 3000 (GÊ dígitos), 4000 (315 dígitos) ou 6000 (h dígitos) também são fabricados, até com resoluções 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 está apresentando uma medida de 100 unidades em seu display, o valor verdadeiro estará na faixa de 99 a 101 unidades. A especificação da exatidão de alguns instrumentos inclui o número de contagens que o dígito mais à direita pode “É importante ressaltar que a exatidão de um aparelho analógico está relacionada com o valor de fundo de escala, enquanto que em um aparelho digital a exatidão é aplicada sobre a leitura do display. 56 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow variar. Assim, se um voltímetro tem exatidão de +(1% + 2) e seu display mede 220 V, o valor real pode estar entre 217,78 e 222,22 V. * Categoria Esta característica diz respeito à segurança, tanto do instrumento em si como de seu operador. Não basta que a proteção se dê pela escolha de instrumento com escalas com ordem de grandeza suficiente para medir o que se quer: é necessário levar-se em consideração, ainda, a possibilidade da existência de transientes de tensão, que podem atingir picos de milhares de volts em determinadas situações. Os instrumentos digitais são hierarquizados em categorias numeradas de 1 a IV, cada uma delas abrangendo situações às quais o medidor se aplica, como mostra a Figura 6.9. 1 ' pe! “a Em Entrada 1 ? = de Serviço! Di Em 7 Ns b Es q 1 r 1 1 Et R CatI Catll Cat e grigem dan a . mentos ,* Aparelhose | « Equipamentos em instalaçõ n.º Onçeim da instalação: ponto onde bina lramentas | | Rsfsfaperlfaçem ae se fica conexao da ha tensão é át tação tt á cer ade a E ! Barramento calimentadorem 1 . fornecedora de energia da a Mantas Mastro 1 + Medidores de eletricidade, PO 1. Riimentadores e circuitos 1 equipamentos primários de tania rã os. 1 ooidas Rol omnngadide qtos 1 proteção contra sobrecorrente insientes 1 —oah amais 1 e Di tivos de painel de 1º aa e entrada de serviço * Qualguerfonte des de om Ro. 1 Depto 1 * Ramal de ligação do poste alatensãos 1 Rm! « Saídas de aparelhos pesados 1, 2º prédio ú haixa enerdia a! —Saídasamais ! — comconexdescurtasâentrada q * Conexão entro o medidor e 1 i so de 20 m (60 de serviço x a é é Pendende ' pés da fonte ! + Sistemas grandes de iluminação ! Fa fan aee a altoenrolamento , deCATIV 1 * Linha subterrânea que vai a 1 ' + uma bomba de poçô Figura 6.9 — Categorias dos instrumentos digitais de medidas elétricas (Fluke do Brasil). * 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. 57 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow 6.6 INSTRUMENTOS BÁSICOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS Neste trabalho, denominamos 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. 6.6.1 Amperímetro Utilizado para medir correntes, sempre é ligado em série com elemento cuja corrente quer-se medir; isto significa que um condutor deverá ser “aberto” no ponto de inserção do instrumento, como mostra a Figura 6.10a. O símbolo do amperímetro está mostrado no diagrama esquemático da Figura 6.10b. corrente a símbolo do corrente a ser medida amperimetro ser medida amperimetro / na / condutores de alimentação —. N (a) (b) Figura 6.10 — 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 6.11), capaz de medir a corrente pelo campo magnético que esta produz ao passar no condutor. A resistência interna de um amperímetro deve ser a menor possível, a fim de que o instrumento interfira minimamente no circuito sob inspeção. Um amperímetro ideal é aquele que tem resistência interna igual a zero, ou seja, equivale a um curto-circuito. Na prática, a menos que se busque grande exatidão em uma medida, pode-se considerar que os amperímetros são ideais, Figura 6.11 — Instrumento digital “de alicate”. Por vezes faz-se necessário medir correntes de magnitudes superiores à de fundo de escala do amperímetro; para isso, liga-se em paralelo com o instrumento um resistor (chamado derivação ou shunt), que desviará a parcela de corrente que excede o fundo de escala. Este procedimento, chamado multiplicação de escala, é mostrado na Figura 6.12a; a Figura 6.12b mostra dois tipos de resistores de derivação. 58 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow destes exige atenção, pois os diversos ponteiros giram em sentidos opostos; começa-se pelo último ponteiro e vai-se anotando o último algarismo ultrapassado pelo ponteiro. No exemplo da Figura 6.16b, o valor lido é 14.924 kW. bobina de o l tensão e display bobina de corrente giratório Entrada de U energia — cargas Figura 6.16 — Medidor de kWh: (a) Estrutura e ligação; (b) exemplo de display (a) analógico de ponteiros. 6.7 | MULTÍMETROS Multímetros ou multitestes (Figura 6.17) são instrumentos projetados para medir diversas grandezas. Todo o multímetro é capaz de medir, pelo menos, tensão (CC e AC), corrente (normalmente só CC) e resistência! Espelho Escalas Ajuste Display de zero Ponteiro Chave seletora Cháve Terminais seletora especiais Terminal — Terminal + Terminais (COMUM) especiais Terminal — (COMUM) Terminal + Pontas de prova Pontas de prova Figura 6.17 — Multímetro analógico (esquerda) e digital (direita), com seus componentes principais. Multímetros analógicos são baseados nos amperímetros; a inserção de resistores em série permite a medida de tensão e a adição de uma fonte externa (uma bateria de 9 'º Os multímetros (principalmente os analógicos) são por vezes chamados de VOM, já que podem medir Volts, Ohms e Miliampêres. 61 ELETROTÉCNICA — Vol. 1 Eurico G. de Castro Neves e Rubi Múnchow V, por exemplo), permita que se meçam resistências. Por convenção, a ponta de prova preta é ligada ao terminal — (COMUM) e a vermelha ao terminal + (“vivo”); alguns instrumentos têm terminais apropriados para medidas específicas, tais como valores mais elevados de corrente ou decibéis. 6.8 PONTE DE WHEATSTONE É um circuito utilizado para medir resistências e sua estrutura básica é vista na Figura 6.18, onde R, é a resistência desconhecida, R, e R> são valores conhecidos de resistência e Rp é um potenciômetro. O circuito é alimentado por uma fonte de CC com tensão nominal E e possui, ainda, um amperímetro sensível (galvanômetro). Com o ajuste do potenciômetro, cujo valor pode ser lido em um painel, a leitura no amperímetro vai-se alterando e, para um determinado valor de Rp, não haverá indicação de | corrente no instrumento: diz-se que, nessa situação, a ponte está em equilíbrio. Quando isso ocorre, demonstra-se que o valor da resistência desconhe- cida é dada por: (6.2) onde Rpo é o valor de Rp para o qual a ponte está em equilíbrio. A ponte de Wheatstone é muito utilizada para a determinação indireta de outras grandezas; para isso utiliza-se um sensor (no lugar de Rx) do qual se conheça a relação entre a grandeza a ser determinada e sua resistência elétrica. É o caso das células de carga (strain gage) para a medida de pressão e esforços mecânicos e de termômetros 62