Baixe Medidas Eletricas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! CAPÍTULO 6 MEDIDAS ELÉTRICAS 6.1 INTRODUÇÃO Medidas elétricas só podem ser realizadas com a utilização de instrumentos medidores, que permitem a mensuração de grandezas cujo valor não poderia ser determinado através dos sentidos humanos. Medir é estabelecer uma relação numérica entre uma grandeza e outra, de mesma espécie, tomada como unidade. A principal forma de classificar os instrumentos de medidas elétricas diz respeito à forma como as medidas são apresentadas. Assim, existem os instrumentos digitais, nos quais a medida é expressa diretamente por dígitos numéricos, e os analógicos, onde a leitura é feita através de comparação. O estudo de medidas elétricas é bastante vasto e importante. Porém, devido às limitações de carga horária da disciplina, neste trabalho serão analisadas tão somente as principais características dos instrumentos e a forma correta de utilizá-los. 6.2 CONCEITOS BÁSICOS 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 paralaxe1 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 1 Erros de paralaxe acontecem quando são feitas leituras com ângulo desfavorável em instrumentos de ponteiro. 45 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 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 1.1 que se segue. 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. Figura 1.1 - 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. 48 6.4 INSTRUMENTOS ANALÓGICOS O instrumento analógico básico 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 (como um ponteiro, por exemplo) 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 escala3 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, escala com zero à esquerda; 120 – 0 -120 V: voltímetro, escala com zero central; 40 – 0 – 200 V: voltímetro, escala com zero deslocado; 10 – 200 A: amperímetro, escala com zero suprimido. 3 Este nome é usado porque usualmente corresponde ao valor marcado no fim da escala. 49 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; neste caso, a medida deverá ser feita quando a posição do observador é tal que o ponteiro e sua imagem no espelho coincidam. 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 original4. A sensibilidade (S) é uma grandeza que se relaciona à resistência interna dos instrumentos; no caso de medidores analógicos5, ela é calculada tomando-se como base a corrente necessária para produzir a máxima deflexão no ponteiro (Imax). Então maxI 1S = (6.1) 4 Como se costuma dizer, "carregam" o circuito. 5 O conceito de sensibilidade para instrumentos digitais é um pouco diferente e será analisado na seção seguinte. 50 Considerando a Lei de Ohm, onde 1 A = 1 V/Ω, deduz-se que a sensibilidade é dada em ohms por volts (Ω/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 kΩ/V. • Valor fiducial É o valor de referência para a especificação da classe de exatidão 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 termelétrico Com circuito eletrônico Com medidor de quociente Ferro móvel Eletrodinâmico Geral Com lâmina bimetálica Geral Com núcleo de ferro Com medidor de quociente 53 Tabela 6.4 – Comparação entre displays de LEDs e de cristal líquido. TIPO VANTAGENS DESVANTAGENS LED • pode ser visualizado virtualmente de qualquer ângulo; • proporciona leituras mais fáceis à distância; • via de regra é mais durável que os LCDs; • pode ser usados em ambientes com pouca luz; • seu tempo de resposta varia muito pouco com a temperatura ambiente; • pode ser usados em condições ambientais mais adversas. • consumo de energia mais elevado que os LCDs; • difícil leitura sob a luz solar. LCD • permite leituras em ambientes externos, mesmo sob incidência direta de luz solar; • consumo de energia muito baixo. • uso em ambientes com pouca luz exige iluminação de fundo (backlit); • 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 3½ dígitos tem 3 dígitos “completos” (isto é, capazes de mostrar os algarismos de 0 até 9) e 1 “meio dígito”, que só pode apresentar 2 valores: 0 (nesse caso o algarismo está “apagado”) ou 1; portanto, este instrumento pode contar até 1999. Um outro instrumento de 4½ dígitos tem maior resolução, pois pode apresentar 19999 contagens. A resolução é melhor representada pela contagem. Instrumentos com contagem de 3200, 4000 ou 6000 são comuns atualmente. • 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 instrumento8. 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 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. 8 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. 54 • 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 (queda de raios, por exemplo). Os instrumentos digitais são hierarquizados em categorias numeradas de I a IV, cada uma delas abrangendo situações às quais o medidor se aplica, como mostra a Figura 6.9. Figura 6.9 – Categorias dos instrumentos digitais de medidas elétricas. • 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. 55 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 alterações 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 o circuito 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. Figura 6.10 – Medida de corrente com amperímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama da ligação. A interrupção do circuito muitas vezes é impraticável; nesses casos 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 6.10 – 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, procedimento chamado multiplicação de escala (Figura 6.12a). A Figura 6.12b mostra dois tipos de resistores de derivação. 58 (b) (a) Figura 6.16 – Medidor de kWh: (a) Estrutura e ligação; (b) exemplo de display 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 resistência9. 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 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. Figura 6.17 – Multímetro analógico (esquerda) e digital (direita), com seus componentes principais. 9 Os multímetros (principalmente os analógicos) são por vezes chamados de VOM, já que podem medir Volts, Ohms e Miliampères. 59 6.8 PONTE DE WHEATSTONE É um circuito utilizado para medir resistências e sua estrutura básica é vista na Figura 6.18, onde Rx é a resistência desconhecida, R1 e R2 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 a variação do potenciômetro, cujo valor pode ser aferido em um painel, a indicação no amperímetro vai-se alterando e, para uma determinada posição 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 desconhecida é dada por: Figura 6. 18 – Ponte de Wheatstone. p 1 2 x RR RR ×= (6.2) 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 resistivos.