Indicadores analógicos e digitais Prof. Valner Prof Material desenvolvido baseado na bibliografia e eventuais notas de aula Instrumentos Analógicos e Digitais Analógicos: Eletromecânicos – utilizam geralmente um ponteiro deslocando-se sobre uma escala para indicar a medida Digitais: Eletrônicos – Geralmente utilizam dígitos para indicar a medida. Classes dos Instrumentos Índice de Classe Limites de erros 0 05 0,05 0 05% 0,05% 0,1 0,1% 0,2 0,2% 0,5 0,5% 1,0 1,0% 1,5 1,5% 2,5 2,5% 5,0 5,0% Os erros são sempre relativos ao fundo de escala sendo utilizado na medida. Multímetro Digital g de Bancada - 740 01 Classe 0,05% + 2 dgt. 4,5 dígitos 50000 Count True RMS Multimeter Permanent moving moving-coil instrument class 1.5 1 5 / double scale I t Instrumentos t Analógicos A lógi y Instrumento I t t Básico: Bá i Galvanômetro: G l ô t Bobina B bi que pela l passagem de corrente provoca um movimento numa parte móvel. y Voltímetro: acrescentando acrescentando-se se resistores em série y Amperímetro: acrescentando-se em paralelo y Ohmímetro : acrescentando acrescentando-se se uma pilha y Esses componentes e suas ligações são selecionados por uma q de modo a permitir p a leitura da grandeza g de chave adequada, interesse. Galvanômetro de Ferro Móvel - Galvanômetro tipo ferro móvel; resistores são conectados em série p para transformá-lo num voltímetro, p por exemplo p . Galvanômetro de Ferro Móvel G l Galvanômetro ô t de d Ferro F Móvel Mó l y Muito utilizados como instrumentos de painel p y Duas barras de ferro adjacentes são magnetizadas (através da corrente em uma bobina na qual as barras estão inseridas) de maneira uniforme, if surge uma força f de d repulsão l ã entre ambas b uma vez que as duas adquirem a mesma polarização magnética y Faz Faz-se se uma barra fixa e a outra móvel, adaptando adaptando-se se um ponteiro na barra móvel y Esse tipo de instrumento pode ler tensão ou corrente contínua e alternada y Deflexão do ponteiro é proporcional ao quadrado da corrente; assim, esse tipo de instrumento mede valor RMS, RMS também chamado de valor eficaz Galvanômetro do tipo Bobina Móvel Galvanômetro de bobina móvel (D’Arsonval) ( ) Galvanômetro de D'ARSONVAL y Instrumento de bobina móvel – usado na maioria dos multímetros analógicos . Galvanômetro do tipo Bobina Móvel yQ Quando uma corrente elétrica é aplicada p na bobina ((condutor)) tem-se a interação entre essa corrente e o campo magnético gerado pelo imã. y Mudando-se a polaridade da corrente, muda o sentido do movimento do ponteiro y O instrumento i lê valor l médio édi (numa ( rede d AC senoidal id l o resultado é zero), portanto serve para medir sinais contínuos no tempo. tempo y O que acontece ao medir CA com este galvanômetro? Bobina Móvel e Retificadores Apesar do galvanômetro do tipo bobina móvel ler apenas sinais DC, DC é possível a utilização do mesmo nas medidas de sinais AC. Isto é normalmente feito com a utilização de semicondutores retificadores (diodos) Instrumento de D'ARSONVAL y y y O instrumento de D'Arsonval indica corrente em uma direção apenas. Sem um retificador, ou corrente DC de polaridade errada pode danificar o instrumento. Uma vez que o ponteiro oscila em tornod e um valor, uma mola de amortecimento deve ser utilizada. Voltímetro A partir do Galvanômetro, basta adicionar uma resistência em série. Ideal Ri=∝ Ω PS: O galvanômetro está em série com a resistência Rm que representa a resistência do enrolamento. O limite de corrente é dado pela capacidade do galvanômetro Voltímetro y Ligação em paralelo y Essência: E ê i Calcular C l l um resistor i em série é i para determinar a corrente de fundo de escala do galvanômetro y Todo Instrumento apresenta uma Ri y Pode-se P d calcular l l a queda d dde tensão t ã pela l lleii dde Oh Ohm y A resistência interna do voltímetro é um parâmetro importante. Quanto mais elevada, mais próximo do ideal o instrumento será e menor a corrente que precisará para deslocar o pponteiro. Assim,, a sensibilidade do instrumento é dada ppelo inverso da corrente de fundo de escala. Na prática, na frontal dos instrumentos existe uma indicação em Ω/V, as quais são as unidades de 1/IFE. R V I Ri Galvanômetro V − Ri I max R= I max considere 3 voltímetros de diferentes sensibilidades: 100 Ω/V, 1000 Ω/V e 20000 Ω/V. Determine o efeito f it da d resistência i tê i interna i t na tensão t ã lida lid em cada d um dos casos quando ligados como na Figura. A Amperímetro í t A partir do Galvanômetro Galvanômetro, basta adicionar uma resistência em paralelo. Ideal Ri=0 Ω O amperímetro deve ser conectado em série com o circuito que deseja-se fazer a medida A Amperímetro í t A Ligação em série deste instrumento provocará um curto circuito. Essência: Calcular um resistor em paralelo (resistor de shunt), responsável pelo desvio da corrente de entrada entrada, de modo que pelo galvanômetro passe apenas a corrente de fundo de escala. Ohmímetro í Ap partir do Galvanômetro, basta adicionar uma bateria em série. A resistência a ser medida fecha o circuito. Observe que você NÃO PODE ligar o ohmímetro em um circuito energizado Utiliza escala não linear – zero - infinito. Calibrar antes de sua utilização. Checar 0Ω com as ponteiras em curto circuitoe Não coloque o dedo (ou feche o circuito pelo corpo). NÃO PODE!!!! Ohmímetro Básico – c/ derivação Ri A Ri R1 R2 R3 A Ri=15 Ohms A=1 mA X100 X10 X1 Z Rx Exercício í y Dado um galvanômetro de 1 mA Ri=60 Ω, Ω deseja-se deseja se medir 220 V. Qual o valor de R a se colocar em série? y Calcule os valores das resistências do Voltímetro A Ri 1000V R1 500V R2 100V R3 50V R4 10V R5 5V R6 Calcule os valores das resistências do Voltímetro í A Ri 5V R1 10V R2 50V 100V 500V 1000V R3 R4 R5 R6 Resistência Interna y Para um instrumento com I= 1 mA 1 Ri = = 1000 Ω V 0, 001 y Exercício: Considere uma fonte de 600 V R=10 R 10 KΩ e 3 voltímetros com as seguintes Ri: y A)) y B) Ri = 100 Ω V Ri = 1000 Ω V y C) Ri = 2000 Ω V y Qual Q l dos d instrumentos i t t fará f á a leitura l it mais i fifiel? l? Amperímetro y Utiliza-se o mesmo galvanômetro y Utiliza-se Utili uma resistência i tê i em paralelo l l com o galvanômetro l ô t chamada R de shunt R I2-i1 A i1 I2 Ri Ex:: Com Co um u galvanômetro ga va ô et o de I=1mA e Ri=15 Ω, Calcule R para fazer uma medida de 8 A Exercícios y Calcule R1 a R6 para o seguinte amperímetro A Ri R1 R2 R3 Ri=15 Ohms A=1 mA 600 mA 1A 10 A R4 20 A R5 50 A R6 65 A Exercícios y Calcule R1 a R4 no Ri=15 Ohms A 1 mA A=1 Ri amperímetro p ao lado 5A R1 10 A R2 R3 R4 0 A 1A 500 mA Simbologia Paralaxe Quando a vista do observador observador, a ponta do ponteiro e o valor indicado na escala não se situam no mesmo plano Esta é a razão de se utilizar espelhos p no fundo da escala Medição de Potência y O wattímetro í é um instrumento capaz dde realizar l a medida d d dda potência ê dde y y y y consumo (potência útil) de uma carga Cargas g R, L, C em cisrcuitos AC. Fator de Potência (cos Φ) O wattímetro indica a potência útil ! Fatores de Potência muito baixos podem gerar correntes altas no instrumento Existem grandes diferenças na medição de potência em circuitos DC e AC. No primeiro, o produto simples do valor da tensão pelo valor da corrente fornece a potência elétrica consumida por uma carga ou fornecida por uma ou mais fontes. Entretanto, em se tratando de circuitos AC, é preciso levar em conta a fase de I e V Medição de Potência O fluxo de energia em uma resistência é sempre em um sentido, variando de um valor mínimo de zero a um valor máximo duas vezes em cada ciclo. Os capacitores e indutores também são conhecidos como elementos de armazenagem de energia. O capacitor armazena energia na forma de campo elétrico, lét i enquanto t que o capacitor it armazena energia i na fforma de d campo magnético. A principal diferença destes dois elementos em relação ao resistor é que este dissipa energia, enquanto que o L e C apenas armazenam. Desta forma em um circuito excitado por uma fonte que varia a polaridade forma, polaridade, estes elementos carregam e descarregam, de modo que a energia oscile entre fonte e elementos LC ou entre elementos LC apenas. Medição de Potência Para facilitar a ligação, você pode pensar o wattímetro como dois instrumentos separados: Um voltímetro – bobinas de tensão, e um amperímetro – bobinas de corrente. A primeira deve ser ligada em paralelo e a segunda em série. Preste atenção nos laboratório!!!!! Observe que com o wattímetro, um voltímetro e um amperímetro, você poderá medir o ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão, e consequentemente o FP do circuito circuito. Multímetros Digitais (DMM) y DMMs são geralmente menores e podem fornecer medidas com menor incerteza. y Medidores analógicos, são mais interessantes, quando estamos interessados em transientes. y Os O DMMs, DMM por serem em essência, ê i um processador digital com um conversor AD, os mesmos possuem flexibilidade. Assim, muitos outros medidores dd são ã integrados, d como: testadores de diodos, de transistores, medidores de capacitância,medidores de temperatura, entre outros Multímetros Digitais g ((DMM)) y y y y y y y A resolução dos instrumentos digitais é fornecida em função do número de dígitos. Se um determinado instrumento mostrar uma grandeza com 999, diz-se que a mesma é representada por 3 dígitos. Displays LCDs regulares representam as grandezas com um fundo de escala do tipo 1999 (2000 contagens) - neste caso diz-se qque este instrumento é 3 e ½ dígitos. g Caso o fundo de escala seja 19999 (20000 contagens), diz-se que este instrumento é 4 e ½ dígitos. Estes instrumentos tem os fundos de escala em múltiplos de 2 unidades (20 mA, 200 mA, 2 V, 20 V, 200 V , etc) Existem ainda d instrumentos que ao invés é de d possuírem í fundos f d de d escala l 2 (unidade) d d tem outros números ú – geralmente 4. Nestes casos diz-se que o instrumento tem n ¾ dígitos. Observe que o número de dígitos do instrumento também define a resolução do mesmo, uma vez que o dígito mais a direita representa menor variação lida por este instrumento. Porém a composição da incerteza possui outros fatores f Dígitos Contagens Total 3 e 1/2 0 1999 0-1999 2000 3 e 3/4 0-3999 4000 4 e 1/2 0-19999 20000 4 e 3/4 0-39999 40000 4 e 4/5 0-49999 50000 Multímetros Digitais g ((DMM)) y y y y y Multímetros digitais utilizam conversores AD. Atualmente são ã utilizados tili d poderosos d microprocessadores, i d que entre t outros recursos, possuem conversores AD. Os dígitos são geralmente feitos com LCD (dysplay de cristal líquido) ou então displays feitos com LEDs. Muitos instrumentos (principalmente os de baixo custo), são construídos a partir de um único conversor AD como o 7106, o qual já possui decodificador para o display (ou o seu equivalente para displays de LAD - 7107). Isso facilita a construção pois são necessárias apenas algumas ligações. Também pode-se usar um simples microcontrolador para implementar p um voltímetro ppor exemplo. p Características de conversores AD O campo da eletrônica pode ser dividido em duas grandes áreas: analógico e digital. Resumidamente pode-se citar algumas g características próprias das duas áreas: Analógico: variável contínua. Por exemplo, tensão elétrica; Digital: variável discreta. Por exemplo, uma seqüência de números (amostras) representando uma tensão elétrica. Características de conversores AD Os detalhes de funcionamento destes dispositivos, não são o foco principal deste curso. No entanto, sugere-se ler a bibliografia recomendada para ver tipos e características individuais dos conversores AD. Função: Amostragem do sinal analógico y O conversor A/D y Dados digitais g estão baseados em níveis de sinais qque se restringem a dois estados, ou seja, os valores “binários” representados pelos valores 0 e 1. Estes níveis binários 0 e 1, são conhecidos como “bits” bits e um grupo de bits recebe o nome de “palavra” . Assim, uma palavra poderia ser 0101, palavra que contém 4 bits. A posição dos bits na palavra tem o significado de que o bit menos significativo (LSB) é o último da direita e o bit mais signficativo (MSB) está mais à esquerda da palavra. O valor dos bits numa palavra é: y 2N-1...24 23 22 21 20 y MSB LSB Características de conversores AD y Algumas das principais características de conversores AD: y y y y Faixa de entrada Resolução e Número de bits. Taxa de amostragem linearidade y Entre outras, são fundamentais para o projeto do instrumento. No caso dos multímetros é necessário precisão de multímetros, medida, porém a velocidade ou taxa de amostragem não precisa ser elevada (o olho humano é lento!). O tipo de conversor utilizado no 7107 ou 7106 é DUPLA RAMPA (veja bibliografia para maiores detalhes), o qual encaixa-se nessas necessidades. y Uma palavra de 4 bits tem 24 níveis, ou seja, 16 níveis y Com a conversão de 4 bits, o menor sinal de entrada que produzirá uma mudança d na saída íd binária bi á i é 0,1V. 0 1V Isso I é conhecido h id como resolução l ã do d conversor (na verdade, existem outros fatores que podem afetar a resolução). Uma mudança menor que 0,1V na entrada não produzirá nenhuma mudança na saída digital A resolução de um conversor AD com N bitspode ser calculada por: digital. R = V en trada _ m ax − V entrada _ m in 2N −1 y N é o número de bits do conversor A/D. y Um U conversor de d 8 bits bit tem t sua escala l dividida di idid em 28 = 256 partes. t A Assim, i caso um conversor tenha uma escala de 10V (ou seja, funda de escala 10V), a menor tensão que ele consegue ler é 10V/256partes ≅ 0,04 V ≅ 40 mV. y Com 12 b bits, a menor tensão que ele l consegue ller é 10V/2 / 12 ≅ 10V/4096 / ≅ 0,0025V ≅ 2,5 mV y O tempo p de conversão é utilizado ppara especificar p o tempo p qque tarda o conversor em gerar uma palavra digital, quando é jogado um sinal analógico na entrada. y Caso forem utilizados conversores AD com freqüências de amostragens mais baixas que a freqüência das componentes do sinal, i l ocorreráá o problema bl d aliasing. de l Características de conversores AD y y A faixa de entrada e o número de bits do conversor AD, podem determinar a necessidade da construção ç de um condicionador de sinais. Você tem um equipamento que tem uma saída de 0 a 200 mV que indica força de -500 a 500 Kgf (compressão e tração). Calcule a resolução desta medida (em Kgf) se a mesma for ligada a uma placa AD de 8 bits com uma escala de: y y Você tem um equipamento que tem uma saída de 0 a 100 mV que indica pressão de 0 a 100 mm Hg (tor). Calcule a resolução desta medida (em mm Hg ou Tor) se a mesma for ligada a uma pplaca AD de 8 bits com uma escala de: y y y y –500 500 mV V a + 500 mV: V –1 V a + 1 V: –5 a 5 V: Repita p o problema p anterior para p um conversor de 10 e 12 bits respectivamente. p Como foi falado anteriormente, esta aula não visa estudar os detalhes dos tipos de conversores AD, bem como os detalhes de suas características. Haverá uma disciplina no curso com esse objetivo. No entanto, reforço o que foi dito, encorajando-o a ler os capítulos 3 e 4 do vol. vol 1 do livro texto. texto Tipos pos de Conversores Co e so es AD y (a) aproximações sucessivas y (b) flash y (c) rampa y (d) dupla rampa y (e) tensão-frequência y O conversor do tipo dupla rampa é um dos mais simples e baratos dos voltímetros digitais Uma entrada de tensão é integrada sobre um tempo t1, igual a um ciclo de frequência. Ao final de um certo tempo um interruptor desconecta a tensão analógica do integrador, integrador ficando um capacitor carregado. carregado Como i = dq/dt = q/t1, para um regime constante de carga, a carga Qin no capacitor é qt1= Vint1/R. Então, conecta-se na entrada do integrador uma tensão analógica negativa constante. constante Depois, Depois mede-se mede se o tempo que o sinal de saída do integrador leva para chegar a zero, ou seja, quando a carga Vreft2/R é igual a Vint1/R (Fig. 6). Assim sendo, o tempo t2 é uma medida indireta de Vin. Precisão nos instrumentos digitais y Um indicador digital proporciona uma leitura numérica que elimina o erro do operador d em termos dde interpolação l e paralaxe; l y Os valores lidos normalmente são expressos geralmente entre 3 ½ e 8 ½ dígitos; y A resolução desses instrumentos é correspondente à mudança de tensão que faz variar o bit menos significativo no display do medidor; y A incerteza é uma combinação de fatores dado em uma percentagem e um número de bits, o qual indica quantas casas de incerteza podem “flutuar” o dígito menos significativo (LSB). y y y y Considere d o instrumento Tektronix k TEKDMM 155, cujas especificações f estão na tabela b l abaixo. b Escala de resistência - 200Ω Escala de tensão DC 20V Escala de corrente DC 200mA ±1.2% da leitura + 2 dígitos ±0.7% da leitura + 2 dígitos ±1.2% da leitura + 2 dígitos Considere a escala de resistência - 200Ω, Escala de tensão DC 20V e Escala de corrente DC Para efetuar o cálculo da incerteza relativa ao instrumento e a sua escala proceda calculando segundo orientação do fabricante. Geralmente incerteza = x% da leitura+ n dígitos onde d n dígitos dí i significam i ifi a variação i ã de d n unidades id d no dígito dí i menos significativo i ifi i (mais ( i a direita). di i ) exemplo: escala de 200Ω com o ohmímetro medindo 100Ω, o visor do instrumento mostra 100,0Ω (pois este é um instrumento 3 e ½ dígitos). Neste caso: y Exemplo: p o multímetro Metex M4600(B). Esse instrumento, na escala de 20VDC tem a incerteza = 0,05% da leitura + 3 dígitos. Calcule a incerteza de uma leitura de 100,00 mV y Sempre é importante consultar o manual do fabricante, porque o erro combinado pode mudar em função da escala ou do tipo de variável a ser medida. medida Osciloscópio analógico y y y y y y Os osciloscópios analógicos funcionam a partir de um TRC;. O canhão de elétrons (raios catódicos), que emite elétrons na forma de um feixe, consiste de um aquecedor (filamento aquecido) um cátodo, uma grade de controle, um ânodo de foco e um ânodo para acelerar os elétrons. elétrons O conjunto do TRC é também conhecido com válvula elétrica. elétrica O filamento é uma resistência elétrica, geralmente alimentada com uma tensão AC baixa, responsável pelo aquecimento do catodo que o encobre. O cátodo é responsável pela emissão de elétrons. Consiste num cilindro metálico recoberto com óxidos que quando aquecido pelo filamento e excitado por uma diferença de potencial (negativo) torna-se torna se a fonte de elétrons que formarão o feixe. A grade de controle tem por função regular a passagem de elétrons do cátodo para o anodo. Consiste de um cilindro circular com um orifício circular. Possui o mesmo potencial que o anodo e quando é controlado, ocorre uma variação no brilho do feixe visto na tela. O anodo de foco e o anodo de aceleração são elementos em forma cilíndrica com pequenos orifícios que possuem alto potencial positivo em relação ao cátodo. Desta forma o feixe de elétrons é acelerado e mantido coeso. Esta etapa também é conhecida como lente eletrônica por aplicar ao feixe de elétrons um processamento semelhante ao fenômeno que ocorre em uma lente óptica. A placas As l de d deflexão d fl ã horizontal h i t l e vertical ti l são ã os di dispositivos i i responsáveis á i pela l movimentação i ã ddo ffeixe i dde elétrons. lé Estas placas tornam possível a excursão de um (ou mais – dependendo do tipo de osciloscópio) sinal por qualquer ponto da tela. Osciloscópio analógico y As placas de deflexão do feixe são responsáveis pelos deslocamentos do mesmo em x e y da tela. y A tela fosforescente é o dispositivo onde o feixe choca-se choca se e tem como resultado a liberação de energia em forma de luz. y O controle da base tempo consiste num circuito capaz de executar a excursão do feixe de elétros da borda esquerda da tela até a borda direita em um tempo precisamente constante. Isto permite que o usuário meça qualquer qualquer parâmetro dependente do tempo. Para facilitar esta medida, a tela está subdividida em n divisões (geralmente 8) de modo que o controle da base de tempo permite ao usuário escolher uma base de tempo adequada. y O controle de amplitude do osciloscópio é formado por um circuito eletrônico que tem a função de adequar as intensidades dos sinais de entrada. Osciloscópio analógico y O controle da base tempo Osciloscópio Digital y y y y y y y y y y y y Os osciloscópios digitais têm seus princípios de funcionamento bastante diferentes do analógico uma vez que os sinais são amostrados e adquiridos por um sistema de aquisição de dados que trabalha em altas velocidades. Os mesmos podem utilizar ou não o TRC: se utilizarem o TRC, as principais diferenças ficam por conta do poder de armazenamento de d d e possibilidade dados b l d d dde tratamento dos d mesmos. As ffunções oferecidas f d por osciloscópios digitais dependem do modelo e do fabricante. Entre algumas destas funções pode-se citar: Visualização continua de sinais de baixa freqüência Possibilidade de congelamento de telas Possibilidade de programação de modo de disparo de telas (trigger) Programação do modo de visualização de parâmetros (VRMS, VMÉDIA, F üê i Tempo,etc) Freqüência, T t) Auto-ajuste de canais Possibilidade de ligar o instrumento em rede (GPIB) Dispositivos de interface como discos flexíveis Recursos para medição precisa nas ordenadas e nas abcissas – como barras móveis que permitem o posicionamento exato do inicio e fim de trecho de interesse do sinal. Zoom Outros Osciloscópios y Ponteiras Tarefa – extra aula y Existem muitos outros instrumentos para medição de grandezas elétricas que não serão abordados em aula. Faça uma pesquisa sobre os seguintes instrumentos: y Medidor de capacitância y Medidor de indutância y Medidor de resistências muito baixas (impossível de medir com o multímetro) y Medidor de resistências elevadas (megômetro) y Medidores de energia elétrica y Medidores de potência (ativa e reativa) y Pontes resistivas y Faça um estudo sobre o princípio de funcionamento e procure circuitos de implementações dos instrumentos: Bibliografia y y y y y y HOLMAN J. P. Experimental Methods for Engineers,.McGraw-Hill, Inc DOEBELIN, O. Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990. BOLTON,, W. Instrumentação ç e Controle,, Ed. Hemus,, 1997. BECKWITH e Buck, Mechanical Measurements, McGraw-Hill, 1992 NOLTINGK, B.E., Instrument Technology, Ed. Buttherworths, 1985 BALBINOT A.,, BRUSAMARELLO V. J., J , Instrumentação ç e Fundamentos de Medidas V 1 e V2 , 2006 e 2007.