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Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina Unidade de Chapecó Curso Técnico em Eletroeletrônica Prof. Juan Paulo Robles Balestero, MSc. Eng. Chapecó-SC, agosto de 2008 Ministério da Educação Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina / Unidade de Chapecó 2 Curso Técnico d...

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Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina Unidade de Chapecó Curso Técnico em Eletroeletrônica

Prof. Juan Paulo Robles Balestero, MSc. Eng. Chapecó-SC, agosto de 2008

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Curso Técnico de Eletroeletrônica – Módulo 02 Unidade Curricular: Instrumentação e Medidas Elétricas _______________________________________________________________________

Sumário 1.

Conceitos em Medidas Elétricas e Instrumentação ___________________________ 4 1.1. Sistema geral de medida____________________________________________ 4 1.2. Especificação técnica de um instrumento _______________________________ 4 1.2.1. Sensibilidade _________________________________________________ 4 1.2.2. Ganho ______________________________________________________ 4 1.2.3. Exatidão _____________________________________________________ 4 1.2.4. Precisão _____________________________________________________ 5 1.2.5. Resolução ___________________________________________________ 5 1.3. ERROS NOS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS___________________________ 6 1.3.1. Classificação dos Erros _________________________________________ 6 1.4. - Simbologia. _____________________________________________________ 8 2. INSTRUMENTOS DE MEDIDAS._________________________________________ 9 2.1. Classificação dos instrumentos. ______________________________________ 9 2.1.1. Classificação quanto ao tipo. _____________________________________ 9 2.1.2. Classificação quanto à construção. ________________________________ 9 2.1.3. Instrumento de bobina móvel e imã permanente (BMIP). ________________ 9 2.1.4. Instrumento de ferro móvel. ______________________________________ 9 2.1.5. Instrumento eletrodinâmico. _____________________________________ 10 2.1.6. Instrumento de imã móvel. ______________________________________ 10 2.1.7. Instrumento térmico.___________________________________________ 10 2.1.8. Instrumento bimetálico. ________________________________________ 10 2.1.9. Instrumento de indução.________________________________________ 10 2.1.10. Instrumentos eletrônicos. _____________________________________ 10 2.1.11. Classificação quanto à grandeza a medir. ________________________ 10 3. ELEMENTOS INDICADORES __________________________________________ 11 3.1. Indicadores Analógicos ____________________________________________ 11 3.1.1. INSTRUMENTOS DE BOBINA MÓVEL E IMÃ PERMANENTE. _________ 11 3.1.2. INSTRUMENTO FERRO MÓVEL ________________________________ 13 3.1.3. INSTRUMENTO ELETRODINÂMICO. _____________________________ 15 3.2. Indicadores Digitais _______________________________________________ 16 3.2.1. Display de Sete segmentos _____________________________________ 16 3.2.2. LCD _______________________________________________________ 17 4. Elementos do sistema de Medição _______________________________________ 20 4.1. CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL ________________________________ 20 4.1.1. Sistemas Digitais _____________________________________________ 20 4.1.2. O conversor A/D______________________________________________ 21 4.2. Amplificador Operacional A.O. ______________________________________ 22 4.2.1. Amplificador de ganho unitário ou buffer ___________________________ 23 5. Medição em Corrente Contínua._________________________________________ 23 5.1. Medição de Tensão_______________________________________________ 23 5.1.1. Voltímetro analógico___________________________________________ 24 5.1.2. Voltímetro analógico com Amplificador Operacional. __________________ 25 5.1.3. Voltímetro Digital _____________________________________________ 26 5.1.4. Características e aplicações_____________________________________ 27 5.2. Medição de Corrente______________________________________________ 28 5.2.1. Amperímetros c.c. analógicos ___________________________________ 28 5.2.2. Amperímetro com várias escalas. ________________________________ 29 5.2.3. Amperímetros c.c. Digitais ______________________________________ 30 5.3. Medição de resistência elétrica ______________________________________ 30 5.3.1. Ohmímetro analógico série _____________________________________ 30 5.3.2. Ohmímetro analógico Derivação ou Método Volt-ampere. ______________ 31 ______________________________CEFET/SC_______________________________

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5.3.3. Ponte de Wheatstone. _________________________________________ 6. Medições de tensões e correntes alternadas _______________________________ 6.1. Representações de Sinais em C.A.: __________________________________ 6.1.1. Valor de Pico ________________________________________________ 6.1.2. Valor de Pico a Pico___________________________________________ 6.1.3. VALOR MÉDIO ______________________________________________ 6.1.4. VALOR EFICAZ ______________________________________________ 6.2. Medidores para sinais alternados ____________________________________ 6.2.1. Medidores com retificação de sinal _______________________________ 6.2.2. Medidores RMS verdadeiro ( TRUE RMS METERS) __________________ 7. Lista de exercícios ___________________________________________________

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1. Conceitos em Medidas Elétricas e Instrumentação Medida é um processo de comparação de grandezas de mesma espécie, ou seja, que possuem um padrão único e comum entre elas. Duas grandezas de mesma espécie possuem a mesma dimensão. No processo de medida a grandeza que serve de comparação é denominada de grandeza unitária ou padrão unitário. 1.1. Sistema geral de medida Os sistemas de medidas apresentam constituintes, mostrado na Figura : • Elementos sensores • Conversores de sinais • Elementos mostradores ou atuadores

geralmente

três

elementos

1.2. Especificação técnica de um instrumento 1.2.1. Sensibilidade A sensibilidade de um instrumento define-se como: A razão entre a mudança y na saída, causada por uma mudança x na entrada:

A diferença com função de transferência é que esta reflete também os aspectos dinâmicos do instrumento. 1.2.2. Ganho O ganho de um sistema ou instrumento define-se como a saída divida pela entrada

1.2.3. Exatidão Qualidade da medição que assegura que a medida coincida com o valor real da grandeza considerada. O valor representativo deste parâmetro é o valor médio. Quando o valor real ou correto é conhecido, a exatidão garante a rastreabilidade da medição. Isso significa que o valor pode passar de um laboratório para outro, sempre mantendo a medida exata. Exemplo: Valor padrão = 1,000  ______________________________CEFET/SC_______________________________

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Instrumento (a) = 1,010  Instrumento (a) = 1,100  O instrumento (a) é mais exato que (b).

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1.2.4. Precisão É a qualidade que caracteriza a capacidade do instrumento de fornecer o mesmo resultado, independente da proximidade do valor real da grandeza medida. É usualmente associado ao erro padrão. Este parâmetro é expresso, em geral como porcentagens do fundo de escala. Exemplo: Instrumento (a) leitura 1= 1,002  Instrumento (b) leitura 1= 1,101  leitura 2= 1,050  leitura 2= 1,098  leitura 3= 0,999  leitura 3= 1,100   = 0,06  = 0,003 A Figura a seguir apresenta-se a relação entre precisão e exatidão.

Relação entre precisão e exatidão 1.2.5. Resolução Resolução é a menor diferença entre indicações que pode ser significativamente percebida. A avaliação da resolução é feita em função do tipo de instrumento: a) Nos sistemas com mostradores digitais, a resolução corresponde ao incremento digital; b) Nos sistemas com mostradores analógicos, a resolução teórica é zero. No entanto, em função das limitações do operador, da qualidade do dispositivo indicador e da própria necessidade de leituras mais ou menos criteriosas ______________________________CEFET/SC_______________________________

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1.3. ERROS NOS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS Erro é o desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como verdadeiro). Os instrumentos de medidas não apresentam valores absolutamente corretos, pois sempre ocorrem erros devidos a vários fatores que podem ser desde a fabricação, montagem, influências ambientais e do próprio operador. 1.3.1. Classificação dos Erros Os erros podem ser classificados como : - Grosseiros - Sistemáticos Erro Grosseiros 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 matematicamente. Para evitá-los é necessário proceder a repetição dos trabalhos, mas é necessário sobretudo, que se trabalhe com muita atenção. Por exemplo a troca na posição dos algarismos ao escrever os resultados, os enganos nas operações elementares efetuadas, posicionamento incorreto da vírgula nos números contendo decimais Erros Sistemáticos 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 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 erro são diferentes em diferentes pontos da escala. Eles podem ser contornados através da construção de um tabela de correção de erros. B – Erros de Leitura - São devidos a influência do operador e dependem das características do sistema de leitura, resultados do angulo de observação (paralaxe) do operador. O erro de leitura pode ocorrer devido à utilização de instrumentos com ponteiros inadequados (ponteiros grossos ou tortos e erros de interpolação). Estes erros podem ser limitados usando-se dois ou mais operadores e/ou equipando o instrumento com um espelho junto à escala. C – Erros Inerentes ao Método ______________________________CEFET/SC_______________________________

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Ocorrem quando a medida é obtida por métodos que necessitem de processamento indireto de grandezas auxiliares. D – Erros Devido 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. E – Erros aleatórios São erros devido ao imponderável. São erros essencialmente variáveis e não suscetíveis de limitações. F – Erro de escala. A escala pode ter sido marcada de forma inadequada, por ineficiência das máquinas de fabricação ou até por erro de desenho. G – Erro de ajuste zero. Antes de efetuar a leitura o operador deve verificar se o ponteiro do instrumento está posicionado sobre o zero (posição de repouso). Caso não esteja, o operador deve ajustá-lo. Não sendo feito tal ajuste o eventual erro permanecerá ao longo de toda a escala. H – Erro de paralaxe. O erro de paralaxe ocorre quando a leitura fica alterada em face da posição do operador em relação à escala. Nos aparelhos de precisão, um espelho é colocado abaixo do ponteiro para que a leitura somente seja efetuada quando coincidir com sua imagem. I – Erro de atrito. Os erros de atrito são aqueles que ocorrem devido ao atrito entre as partes fixas e móveis do instrumento (ex.: entre pivô e mancal). Os fabricantes pesquisam e produzem vários tipos de mancais para diminuir esse erro, utilizando mancais de suspensão magnética, jóias sintéticas, etc. J – Erro de Interpolação Esse erro se origina em função do posicionamento do ponteiro em relação à escala de medida do instrumento. O leitor pode observar que o ponteiro acusa uma posição incerta entre dois valores conhecidos, a qual necessariamente não é o ponto médio destes, ficando a critério do observador, em função da proximidade, definir o valor correspondente ao traço da direita ou da esquerda. K - Erro em instrumentos Digitais. Todo indicador digital proporciona uma leitura numérica que elimina o erro do operador em termos de paralaxe e interpolação.

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1.4. - Simbologia. A simbologia utilizada nos instrumentos de medidas serve para identificar características básicas dos mesmos, indicando forma de utilização, precisão, tipo, etc. As demais características dos instrumentos devem ser buscadas nos manuais. As tabelas seguintes não representam a totalidade dos símbolos existentes, mas apresentam uma amostra dos principais, que o técnico de medidas elétricas vai identificar com facilidade, pois estão presentes nos equipamentos mais comuns.

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2. INSTRUMENTOS DE MEDIDAS. O conhecimento dos instrumentos de medidas elétricas possibilita a utilização com mais eficiência e rentabilidade. Os instrumentos de medidas possuem aplicações muito variadas, portanto, neste conteúdo faremos a análise dos instrumentos de medidas elétricas. Para cada tipo de grandeza, existe um tipo de instrumento adequado para realizar a medição desejada. Em função do tipo de medição a ser realizada existe um instrumento que deve ser utilizado e, portanto, deve ser classificado adequadamente. 2.1. Classificação dos instrumentos. 2.1.1. Classificação quanto ao tipo. 2.1.1.a. Instrumento indicador. O instrumento indicador é aquele que indica valores instantâneos das grandezas elétricas. Os instrumentos indicadores podem ser dos tipos de deflexão ou instrumentos eletrônicos. 2.1.1.b. Instrumento Registrador. O instrumento registrador é aquele que todos os valores medidos são registrados de forma gráfica, tabela de valores ou de maneira eletrônica (memória eletrônica). 2.1.1.c. Instrumento Integrador. O instrumento integrador é aquele cujo valor indicado é sempre a somatória das medidas realizadas. (Ex. Medidor de energia). 2.1.2. Classificação quanto à construção. A classificação dos instrumentos quanto à construção é fundamental para se fazer a escolha do instrumento em função de sua utilização, por exemplo, o instrumento de bobina móvel deve ser utilizado para medir o valor médio e o instrumento de ferro móvel é utilizado para medição do valor eficaz. 2.1.3. Instrumento de bobina móvel e imã permanente (BMIP). O instrumento BMIP é constituído por uma bobina móvel e um imã permanente e a deflexão do ponteiro ocorre devido a circulação de corrente na bobina. O instrumento BMIP deve ser utilizado para medição de grandezas em corrente contínua. O instrumento BMIP pode ser utilizado em corrente alternada, desde que sejam feitas algumas adaptações. Os instrumentos BMIP são instrumentos polarizados, sendo que ao serem ligados aos circuitos, deve-se observar o sentido de circulação de corrente através da bobina, para que a indicação do ponteiro seja no sentido da escala. 2.1.4. Instrumento de ferro móvel. O instrumento de ferro móvel possui uma peça de material ferromagnético que se desloca quando a bobina do instrumento é percorrida por uma corrente elétrica. No processo de construção existem várias formas de construção. O instrumento de ferro móvel pode ser utilizado em corrente contínua e também em corrente alternada. ______________________________CEFET/SC_______________________________

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2.1.5. Instrumento eletrodinâmico. O instrumento eletrodinâmico possui uma ou mais bobinas fixas e uma bobina móvel, sendo que a deflexão do ponteiro ocorre somente em função das correntes que circulam nas bobinas fixa e móvel. Os instrumentos eletrodinâmicos podem ser utilizados tanto em corrente contínua como em corrente alternada. Os instrumentos eletrodinâmicos podem ser construídos com ou sem núcleo de ferro, cuja indicação é feita através da simbologia colocada no equipamento. 2.1.6. Instrumento de imã móvel. O instrumento de imã móvel possui um ou mais imãs que se deslocam quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica. O instrumento de imã móvel só pode ser utilizado em corrente contínua. 2.1.7. Instrumento térmico. O instrumento térmico é construído com fio aquecido, onde a circulação de corrente provoca a dilatação do fio, provocando o deslocamento do ponteiro. 2.1.8. Instrumento bimetálico. O instrumento bimetálico é constituído por dois metais que se deformam quando percorridos por uma corrente e provocam o deslocamento do ponteiro sobre a escala. Ex: medidor de demanda de potência. 2.1.9. Instrumento de indução. O instrumento de indução funciona baseado na indução eletromagnética, criada por indutores, para que a corrente induzida nas partes condutoras dos instrumentos possa fazer a medição da grandeza desejada. Ex. medidor de energia elétrica, instrumento alicate, frequencímetro, etc. 2.1.10. Instrumentos eletrônicos. Os instrumentos eletrônicos fazem as medidas através de circuitos eletrônicos que quando submetidos a um determinado sinal de uma grandeza elétrica, indicam em um display o valor da grandeza medida.

2.1.11.

Classificação quanto à grandeza a medir.

Voltímetro – Instrumento utilizado para medição de tensão elétrica. Amperímetro – Instrumento utilizado para medição de corrente elétr...