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Projeto de um voltímetro ohmímetro analógico
Tipologia: Notas de estudo
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Alessander Strelow Theóphilo Edson de Freitas Barros Marcela de Almeida Franco Marcos Ossami Silva Rosemiro Barbosa
PROJETO INTEGRADO: Voltímetro Ohmímetro
Alessander Strelow Theóphilo RA: 908205208 Edson de Freitas Barros RA: 908202136 Marcela de Almeida Franco RA: 910115522 Marcos Ossami Silva RA: 908203421 Rosemiro Barbosa RA: 908205367
PROJETO INTEGRADO: Voltímetro Ohmímetro
São Paulo
Projeto Integrado do 5° Semestre, curso de Engenharia Elétrica projeto e montagem de um voltímetro ohmímetro. Orientadores: Prof. Cleber Gustavo Dias Prof. Luiz Carlos da Silva
RESUMO
Semestralmente a Universidade Nove de Julho proporciona aos alunos uma atividade que visa integrar todas as matérias do curso, o Projeto Integrado. Esse projeto tem como objetivos estimular a cooperação desenvolvendo a capacidade de trabalhar em equipe, familiarizar o aluno com o desenvolvimento de projetos e a realização de pesquisas e motivar nos alunos o desenvolvimento da habilidade de comunicar e justificar seus projetos em forma oral e escrita. Neste semestre o a proposta do projeto é a concepção de um equipamento, analógico, capaz de efetuar dois tipos de medidas elétricas: resistência e tensão, ou seja, um “voltímetro ohmímetro”. Sob orientação dos professores Cleber Gustavo Dias e Luiz Carlos da Silva, o projeto será desenvolvido e construído seguindo as características determinadas no escopo. O voltímetro ohmímetro utilizará apenas circuitos analógicos e terá como principal características o uso de um galvanômetro que será responsável pela apresentação tanto das medidas de tensão quanto de resistência, em momentos distintos.
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Instrumentos básicos de medição Voltímetros e ohmímetros são instrumentos usados para medição de tensão e resistência respectivamente. O mecanismo sensor mais utilizado em voltímetros c.c. e ohmímetros é um dispositivo sensor de corrente ou galvanômetro, chamado mecanismo medidor de D’Arsonval.
2.2 Galvanômetro ou Mecanismo de D’Arsonval A corrente, ao circular por um condutor, produz dois efeitos principais: calor e magnetismo. A intensidade desses efeitos depende da intensidade da corrente. Estes efeitos podem ser utilizados em instrumentos de medição. Um galvanômetro é um dispositivo eletromecânico no qual se produz um torque como resultado da interação entre uma corrente elétrica, que passa pela bobina do instrumento e o campo magnético existente no entorno da bobina Em 1881, D’Arsonval patenteou um mecanismo que utiliza o efeito eletromagnético da corrente, Por essa razão, a maioria dos mecanismos compostos por bobina móvel e ímã permanente recebe o nome de instrumento de D’Arsonval. O mecanismo D’Arsonval é constituído de uma basicamente de uma bobina de fio muito fino, imersa em um campo magnético uniforme de um imã permanente e montada em um sistema de suspensão que a permite girar em torno de um eixo que passa através de seu diâmetro, quando percorrida por corrente elétrica. Duas molas- cabelo enroladas em sentidos opostos se opõem ao movimento da armadura (contratorque); são amagnéticas. As molas espirais farão com que o ponteiro do medidor retorne a zero, quando não houver fluxo de corrente pela bobina móvel. Quando a corrente a ser media percorre a bobina ela produz um campo magnético que interage com o campo magnético gerado pelo imã permanente, provocando uma deflexão angular proporcional a intensidade da corrente. Esta ação é limitada pela ação restauradora das molas espirais. Este limite ocorre quando o torque provocado pela força de interação magnética se iguala ao torque restaurador da mola. O valor deste deslocamento é indicado em uma escala graduada através de um ponteiro fixo à bobina móvel, indicando, deste modo, a intensidade da corrente.
Através de circuitos apropriados, o galvanômetro (fig. 2.1) pode ler outras grandezas elétricas como tensão contínua e resistência entre outras.
Figura 2.1 – Galvanômetro
2.3 Voltímetro Voltímetros são instrumentos construídos com a finalidade de medir tensões elétricas. O mecanismo de D’Arsonval poderá ser usado para medir tensões, se a resistência interna do mesmo for reconhecida. Como já se sabe há uma queda de tensão quando uma corrente flui através de uma resistência. O voltímetro consiste em um galvanômetro associado em série a um resistor, o qual permite medidas de diferença de potencial maiores que a diferença de potencial máxima (Rg x Ig), que normalmente o galvanômetro pode indicar. Esta resistência recebe o nome de resistência multiplicadora (Rm). Na figura 2.2 temos a representação simplificada de um voltímetro.
G
Figura 2.2 – Circuito do Voltímetro
Vw I Rin , logo
Vw RoRin RinVo e
Ro Rin
Rin Vo Kv Vw
2.4 Método de comparação de correntes O valor de uma dada resistência poderá ser encontrado pela comparação entre o valor da corrente que esta solicita a uma fonte e o valor da corrente que uma dada resistência, de precisão, de valor conhecido, solicita à mesma fonte.
2.5 Ohmímetro série Ohmímetros são instrumentos construídos com a finalidade de medir resistência elétrica. A partir do princípio de comparação de correntes também se pode construir um ohmímetro analógico; colocando-se o galvanômetro, uma fonte de tensão (bateria) e uma resistência todos em série. Como indicado na figura 2.3:
Figura 2.3 – Circuito do Ohmímetro série
Onde: Rg é a resistência interna do galvanômetro; Ro é a resistência série; Rx é a resistência que se quer medir; E é a fonte interna de tensão. Aplicando as Leis de Ohm e de Kirchhoff, temos: (^) o g o g x g x g
onde Ig é a corrente do galvanômetro e Rx é a resistência que está sendo medida. Portanto, esta expressão representa a escala do ohmímetro.
Quando os terminais A e B estiverem em curto-circuito, a deflexão do ponteiro deverá ser a máxima possível, e o ponteiro indicará 0Ω, pois não há resistência entre os terminais. Sendo assim para a condição de corrente de fundo de escala temos: Rx 0 Ig Igmáx
(^) g o g gmáx s gmáx
Se os terminais estiverem em circuito aberto, implicará que RX = ∞ e a corrente é nula. Representando estes valores extremos de resistência em uma escala, percebe-se que a mesma é inversa.
2.6 Outro modelo de Ohmímetro Outro modo de construir o ohmímetro utilizando-se um galvanômetro é colocando-se uma resistyência em paralelo com o mesmo e uma bateria interna como fonte de tensão. Como indicado na figura 2.4:.
Figura 2.4 – Circuito do Ohmímetro
As resistências, que podem ser selecionadas pela chave, e servem para trocar os fundos de escala. Quando uma resistência de valor desconhecido Rx é colocada nos terminais do ohmímetro, uma corrente que lhe é proporcional percorre o instrumento. Na calibração da escala do ponteiro, ao invés de fazê-lo emtermos de correntes, o fazemos em termos de unidades de resistência elétrica pois a tensão da fonte éconstante. Assim:
x (^) Ix
Onde Rx é a resistência a se medida
4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
4.1 Galvanômetro Como não foi encontrado no mercado o galvanômetro foi comprado um amperímetro analógico para que fosse extraido o galvanômetro. De acordo com a pesquisa realizada é necessário conhecer as características elétricas do galvanômetro para que se possa desenvolver os circuitos do voltímetro e do ohmímetro. Com um multímetro foi medida a resistência interna do galvanômetro Rg = 7,1Ω. Não foi possível obter as demais informações necessárias junto ao fabricante, então foram realizados testes com a intenção de descobrir a corrente máxima suportada pelo galvanômetro (Ig). Para o teste inicial foi montado um potenciômetro em série com o galvanômetro e uma bateria de 9V. Como mostra a figura 4.1.
Figura 4.1 – Circuito para teste
O potenciômetro foi colocado na resistência máxima e diminuindo até que o ponteiro atingisse o fundo de escala. Com o multímetro foi medido a resistência do potenciômetro em 1,4kΩ.
No laboratório da empresa com uma fonte estabilizada foram obtidos os seguintes valores: V = 20V → R = 3,05kΩ, com o ponteiro no fundo de escala V = 10V → R = 1,48kΩ, com o ponteiro no fundo de escala
Partindo de g g m máx R
temos m g g máx
Calculando:
I (^) g 1 1400 9V 7 , 1 6 , 46 mA
I (^) g 2 1480 10V 7 , 1 6 , 79 mA
I (^) g 3 3050 20V 7 , 1 6 , 57 mA
Então para efeito de cálculo dos equipamentos optou-se por utilizar uma média das correntes calculadas, sendo assim Ig = 6,61mA.
4.2 Voltímetro De acordo com as pesquisas realizadas para a utilização do galvanômetro na medição de tensões deve-se colocar um resistor em série com o mesmo. Como o circuito do voltímetro é similar ao montado para teste a resistência multiplicadora Rm deverá ser de 3,05kΩ. Portanto o circuito para o voltímetro será como o mostrado a figura 4.2:
Figura 4.2 – Circuito do Voltímetro
3,05kΩ
5 CONSIDERAÇÕES SOBRE O PROJETO
O Circuito do ohmímetro não funcionou para o fundo de escala de 10kΩ. Durante os testes do circuito o galvanômetro foi danificado. O amperímetro havia sido comprado em par já prevendo possíveis defeitos. Com o novo galvanômetro foi iniciado um novo projeto. Realizou-se nova pesquisa sobre ohmímetro, e novamente a resistência interna do galvanômetro foi medida.
6 NOVO PROJETO
A resistência interna do novo galvanômetro é Rg = 7Ω, refeitos os testes para obtenção da corrente máxima do galvanômetro e observou-se que ela difere muito pouco da corrente suportada pelo galvanômetro anterior, então foi considerada como corrente máxima do novo galvanômetro Ig = 6,4mA. Com os novos valores de Ig e Rg recalculou-se o circuito do voltímetro obtendo uma nova resistência multiplicadora Rm. Observou-se que para o voltímetro não ocorreu uma mudança significativa no circuito mostrado na figura 4.2. O circuito para o ohmímetro teve que ser repensado como um todo. Observou-se que para o fundo de escala de 1KΩ ele funcionou perfeitamente, mas para o fundo de escala de 10KΩ não.
6.1 Novo Ohmímetro Para a construção do ohmímetro deve-se colocar em série com o galvanômetro uma bateria e uma resistência. Foram colocadas uma pilha de 9V, então assumindo Ig = 6,4mA obtido nos testes, calculou-se o valor resistência para que o ohmímetro assuma o fundo de escala de 10kΩ e 1kΩ. Aplicando as Leis de Ohm e Kirchoff, temos: E ( Rs Rg Rx ) Ig
( (^) s g ) x (^) g
Então para a condição de curto circuito Rx 0 Ig Igmáx E ( Rs Rg ) Igmáx
Portanto,
s (^) Igmáx Rg
Aplicando-se os valores:
Rs (^6) ,^94 V^ mA 7 1430
Teoricamente o resistor tende a ser 1430Ω, porém este valor de resistor não existe comercialmente para venda o mais próximo seria um de 1560Ω. Relacionando
O circuito da figura 6.2.1 foi montado na protoboard e testado como é possível ver na figura 6.2.2.
Figura 6.2.2 – Montagem na Protoboard
Funcionou bem, porém visando melhorar o projeto, minimizar os custos e facilitar a montagem os estudos foram continuados, chegando ao circuito final mostrado na figura 6.2.3.
Figura 6.2.3 – Circuito final
Novamente o circuito foi montado na Protoboard e testado, figura 6.2.4, concluiu-se que o resultado foi satisfatório.
Figura 6.2.4 – Montagem do circuito final
Para integrar a os 3 circuitos projetados foi colocado apenas 1 uma chave seletora com o nome técnico de Chave seletora HH 3 posições e 8 terminais essa chave funciona com fechamentos duplos na posição horizontal conforme mencionados nas figuras 6.3.1, 6.3.2, 6.3.3.
