ELETRICISTA FORÇA E CONTROLE

ELETRICISTA
FORÇA E
CONTROLE
MEDIDAS ELÉTRICAS
MEDIDAS ELÉTRICAS
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CORRÊA, Carlos Jesus Anghinoni e BADIA,José Octávio
Medidas Elétricas / CEFET-RS. Pelotas, 2008.
80P.:63il.
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CEP: 20030-003 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil
2
ÍNDICE
UNIDADE I ............................................................................................................................................... 9
1.1 Introdução ...................................................................................................................................... 9
1.2 Classificação dos instrumentos de medição................................................................................ 10
1.2.1 Quanto ao modo de indicação do valor da grandeza medida:............................................. 10
1.2.1.1 Instrumentos indicadores ou mostradores .................................................................... 10
1.2.1.2 Instrumentos registradores ........................................................................................... 10
1.2.1.3 Instrumentos integradores ............................................................................................ 11
1.2.2
Quanto ao uso .................................................................................................................. 11
1.2.2.1 Instrumentos para painéis ou quadros de comando..................................................... 11
1.2.2.2 Instrumentos portáteis................................................................................................... 11
1.2.3
Quanto ao tipo de grandeza mensurável ......................................................................... 12
1.2.4 Quanto a natureza do torque moto ( instrumentos eletromecânicos ) ................................ 12
1.3 Principio de funcionamento dos instrumentos de medição ......................................................... 13
1.4 Detalhes Construtivos .................................................................................................................. 14
1.5 Algumas características elétricas dos instrumentos de medição ................................................ 15
1.6 Noções de Padrão, Aferição e Calibração................................................................................... 18
1.6.1 Padrão .................................................................................................................................. 18
1.6.2 Aferição................................................................................................................................ 18
1.6.3 Calibração............................................................................................................................ 18
UNIDADE II ............................................................................................................................................ 19
2.1 Classificação dos Erros ............................................................................................................... 19
2.1.1 Erros grosseiros.................................................................................................................... 19
2.1.2 Erros sistemáticos ................................................................................................................ 20
2.1.2.1 Erros Instrumentais ....................................................................................................... 20
2.1.2.2 Erros ambientais ........................................................................................................... 21
2.1.3 Erros acidentais .................................................................................................................... 21
2.2 Erro absoluto e erro relativo......................................................................................................... 22
UNIDADE III .......................................................................................................................................... 23
3.1 Considerações Gerais ................................................................................................................. 23
UNIDADE IV .......................................................................................................................................... 27
4.1 Introdução .................................................................................................................................... 27
4.2 Instrumentos de bobina móvel ou de ímã permanente ............................................................... 28
4.2.1 Constituição .......................................................................................................................... 28
3
4.2.2 Principio de Funcionamento ................................................................................................. 29
4.2.2.1 O Torque Motor ............................................................................................................ 29
4.2.2.2
Torque Restaurador ou Antagonisgta...................................................................... 30
4.2.2.3 Torque de Amortecimento............................................................................................. 30
UNIDADE V ............................................................................................................................................ 32
5.1 Medição de tensões e correntes.................................................................................................. 32
5.1.1 Medição de tensões contínuas............................................................................................. 32
5.1.1.1 Voltímetro de múltiplos calibres .................................................................................... 33
5.1.2 Medição de tensões Alternadas ........................................................................................... 34
5.1.2.1 Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com retificador................................. 35
5.1.3 Cuidados no manuseio do voltímetro (CC ou CA) ............................................................... 36
5.1.4 Medição como Amperímetro DC .......................................................................................... 37
5.1.4.1 Amperímetro de múltiplos calibres (multiamperímetro) ................................................ 38
5.1.4.2 Modo de ligar o Amperímetro:....................................................................................... 39
5.1.4.3 Erro provocado pelo Amperímetro na corrente do circuito ........................................... 39
5.1.4.4 Cuidados no manuseio do amperímetro: ...................................................................... 40
5.1.5 Medição como Ohmímetro ................................................................................................... 40
5.1.5.1 Cuidados na utilização do Ohmímetro: ......................................................................... 42
5.1.5.2 Testes com o Ohmímetro.............................................................................................. 42
UNIDADE VI ........................................................................................................................................... 44
6.1 Introdução .................................................................................................................................... 44
6.2 Instrumentos de repulsão ou de palheta móvel........................................................................... 45
6.2.1 Princípio de Funcionamento................................................................................................. 45
6.2.2 Instrumentos de repulsão de lâminas concêntricas ............................................................. 46
6.2.2.1 Vantagens e desvantagens do instrumento de ferro móvel tipo repulsão.................... 47
6.2.3 Amortecimento do conjunto móvel ....................................................................................... 48
6.2.3.1 Amortecimento por atrito sobre o ar.............................................................................. 48
6.2.3.2 Amortecimento por atrito sobre líquido ......................................................................... 49
6.2.3.3 Amortecimento magnético ............................................................................................ 50
6.2.4 Escala ................................................................................................................................... 51
6.2.5 Voltímetro de Ferro Móvel FOLTÍMETROS ......................................................................... 51
6.2.5.1 Voltímetros de Ferro Móvel para quadros de distribuição e comando ......................... 52
6.2.6 Amperímetro de Ferro Móvel................................................................................................ 53
6.2.6.1 Amperímetro de Ferro móvel para quadros de distribuição e comando....................... 53
6.2.7 Chave comutadora para voltímetro e amperímetro.............................................................. 55
UNIDADE VII .......................................................................................................................................... 56
7.1 Considerações gerais .................................................................................................................. 56
UNIDADE VIII ......................................................................................................................................... 58
4
8.1 Considerações gerais .................................................................................................................. 58
UNIDADE IX ........................................................................................................................................... 59
9.1 Considerações gerais .................................................................................................................. 59
UNIDADE X ............................................................................................................................................ 60
10.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 60
UNIDADE XI ........................................................................................................................................... 61
11.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 61
UNIDADE XII .......................................................................................................................................... 62
12.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 62
UNIDADE XIII ......................................................................................................................................... 63
13.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 63
UNIDADE XIV......................................................................................................................................... 66
14.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 66
14.2 Como usar o Megôhmetro ......................................................................................................... 67
UNIDADE XV.......................................................................................................................................... 69
15.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 69
UNIDADE XVI ........................................................................................................................................ 70
16.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 70
16.2 Freqüencímetros Eletrodinâmicos ............................................................................................. 70
16.3 Freqüencímetros de Indução ..................................................................................................... 71
16.4 Freqüencímetros de lingüeta vibratória ..................................................................................... 72
UNIDADE XVII........................................................................................................................................ 75
17.1 Considerações gerais ................................................................................................................ 75
17.2 Eletrodo de aterramento ............................................................................................................ 76
17.3 Cuidados na medição ................................................................................................................ 77
17.4 Conclusões e recomendações................................................................................................... 78
BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................... 79
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Ponteiro acoplado a uma bobina móvel ............................................................................ 13
Figura 1.2 – Partes principais de um instrumento de medidas elétricas ............................................... 14
Figura 1.3 – Dados para equação.......................................................................................................... 16
Figura 1.4 – Wattímetro e símbolos para classe de isolação. ............................................................... 16
Figura 1.5 - Categoria de medição......................................................................................................... 17
Figura 2.1 – Erro de paralaxe................................................................................................................. 20
Figura 3.1 – Símbolos diversos.............................................................................................................. 23
Figura 3.2 – Símbolos diversos (2) ........................................................................................................ 24
Figura 3.3 – Símbolos diversos (3) ........................................................................................................ 25
Figura 3.4 – Símbolos diversos (4) ........................................................................................................ 26
Figura 4.1 Instrumento de bobina móvel ou de imã permanente .......................................................... 28
Figura 4.2 – Torque Motor...................................................................................................................... 29
Figura 4.3 - Torque de Amortecimento .................................................................................................. 31
Figura 5.1 - Medição de tensões contínuas ........................................................................................... 33
Figura 5.2 - Voltímetro de múltiplos calibres .......................................................................................... 33
Figura 5.3 - Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com retificador ...................................... 35
Figura 5.4 - Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com retificador (2)................................. 35
Figura 5.5 - Medição como Amperímetro DC ........................................................................................ 37
Figura 5.6 - Medição como Amperímetro DC ........................................................................................ 38
Figura 5.7 - Amperímetro de múltiplos calibres (multiamperímetro)...................................................... 38
Figura 5.8 - Modo de ligar o Amperímetro ............................................................................................. 39
Figura 5.9 - Medição como Ohmímetro ................................................................................................. 40
Figura 5.10 - Teste de isolação.............................................................................................................. 42
Figura 5.11 - Medição da resistência de um resistor ............................................................................. 43
Figura 6.1 - Princípio de Funcionamento ............................................................................................... 45
Figura 6.2 - Instrumentos de repulsão de lâminas concêntricas ........................................................... 46
Figura 6.3 - Amortecimento por atrito sobre o ar ................................................................................... 48
Figura 6.4 - Amortecimento por atrito sobre líquido............................................................................... 49
Figura 6.5 - Amortecimento por atrito sobre líquido (2) ......................................................................... 49
Figura 6.6 - Amortecimento magnético .................................................................................................. 50
Figura 6.7 - Escala ................................................................................................................................. 51
Figura 6.8 – Sistema de ligação............................................................................................................. 52
Figura 6.9 - Sistemas de ligação de amperímetros ............................................................................... 54
6
Figura 7.1 - instrumentos eletrodinâmicos ............................................................................................. 56
Figura 7.2 - Amortecimento pneumático ................................................................................................ 57
Figura 8.1 - Instrumento de indução ...................................................................................................... 58
Figura 9.1 - Instrumento de bobinas cruzadas....................................................................................... 59
Figura 10.1 – Instrumento Eletrostático ................................................................................................. 60
Figura 11.1 – Voltímetros ....................................................................................................................... 61
Figura 12.1 - Amperímetros ................................................................................................................... 62
Figura 12.2 – Amperímetros (2) ............................................................................................................. 62
Figura 13.1 - Volt-amperímetro tipo alicate............................................................................................ 63
Figura 13.2 – Componentes básicos do volt-amperímetro tipo alicate.................................................. 64
Figura 13.3 – Medição de corrente com volt-amperímetro tipo alicate.................................................. 64
Figura 13.4 - Volt-amperímetro tipo alicate (2) ...................................................................................... 65
Figura 13.5 - Volt-amperímetro tipo alicate (3) ...................................................................................... 65
Figura 14.1 - Megôhmetros .................................................................................................................... 66
Figura 14.2 – Megôhmetros (2).............................................................................................................. 67
Figura 14.3 – Megôhmetros (3).............................................................................................................. 67
Figura 14.4 – Megôhmetros (4).............................................................................................................. 68
Figura 15.1 – Medidores de potência..................................................................................................... 69
Figura 16.1 - Freqüencímetros Eletrodinâmicos .................................................................................... 70
Figura 16.2 - Freqüencímetros de Indução............................................................................................ 71
Figura 16.3 - Freqüencímetros de lingüeta vibratória ............................................................................ 72
Figura 16.4 - Freqüencímetros de lingüeta vibratória (2)....................................................................... 74
Figura 17.1 – Terrometro Digital ............................................................................................................ 75
Figura 17.2 – Terrometro Analógico....................................................................................................... 76
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Tabela de classe de precisão ou de exatidão................................................................... 16
Tabela 5.1 - Código de cores para resistores ........................................................................................ 43
Tabela 14.1 – Corrente do circuito X Resistência de isolamento .......................................................... 68
8
I – GENERALIDADES SOBRE OS
INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
1.1 Introdução
A medida elétrica é uma das técnicas moderas de grande valor. Com ela podem ser resolvidos
problemas na pesquisa em geral e, principalmente, aqueles referentes ao controle, avaliação e
processos industriais, pois requerem dentro de sua evolução, métodos sempre mais complexos que
resultam num controle mais rígido das diversas fases do processamento.
Os instrumentos de medição são dispositivos utilizados para realizar medições nos mais variados
ramos de atividades, seja no comercio nas áreas de saúde, segurança e meio ambiente. No nosso
caso vamos nos deter ao estudo dos instrumentos destinados a realizar a medição das grandezas
elétricas.
Como existem varias grandezas elétricas a serem medidas, os instrumentos variam conforme
a sua complexidade e utilização, no que se refere a sua conexão e funcionamento.
O processo de medição, em geral, envolve a utilização de um instrumento como o meio físico
para determinar uma grandeza ou o valor de uma variável. O instrumento atua como extensão da
capacidade humana e, em muitos casos, permite que alguém determine o valor de uma quantidade
desconhecida, o que não seria realizável apenas pela capacidade humana sem auxílio do meio
utilizado. Um instrumento pode então ser definido como o dispositivo de determinação do valor ou
grandeza de uma quantidade ou variável.
9
1.2 Classificação dos instrumentos de medição
1.2.1 Quanto ao modo de indicação do valor da grandeza medida:
Podemos dividir os instrumentos de medida quanto ao seu emprego nos seguintes grupos:
•
Instrumentos Indicadores ou Mostradores;
•
Instrumentos Registradores;
•
Instrumentos Integradores.
1.2.1.1 Instrumentos indicadores ou mostradores
São instrumentos que indicam em qualquer momento o valor instantâneo, eficaz, médio ou de
pico da grandeza a ser medida Exemplos: amperímetro, voltímetro, Ohmímetro, wattímetro, etc.
A indicação da grandeza pode se dar pelo deslocamento de um ponteiro sobre uma escala
graduada (instrumentos analógicos) ou pela representação numérica em um display (instrumentos
digitais).
Um instrumento de medição indicador também pode fornecer um registro.
1.2.1.2 Instrumentos registradores
São instrumentos que registram os valores da grandeza sobre um rolo de papel graduado,
permitindo que mesmo após o instrumento ter sido desligado possamos fazer uma analise da
variação da grandeza medida durante o período em que o instrumento permaneceu ligado.
Os instrumentos que são ligados a computadores, para armazenamento temporário ou
permanente do valor da(s) grandeza(s) medida em disco rígido, disquete, cd, etc., também são
classificados como registradores.
Um instrumento registrador também pode apresentar uma indicação da grandeza.
10
1.2.1.3 Instrumentos integradores
São instrumentos cujo mostrador apresenta o valor acumulado da grandeza medida, desde o
momento em que os mesmos foram instalados até o presente momento.
Exemplos: Medidor de energia elétrica.
Nestes instrumentos o valor da grandeza é obtido pela diferença entre a leitura no fim do período,
chamada “leitura atual” e a leitura feita no início do período, chamada de “leitura anterior”.
1.2.2 Quanto ao uso
1.2.2.1 Instrumentos para painéis ou quadros de comando
São empregados para medidas contínuas, isto é, são fixos ou embutidos em painéis indicando,
controlando ou registrando continuamente uma grandeza qualquer.
Geralmente têm dimensões
normalizadas para facilidade de troca sem grandes interrupções.
1.2.2.2 Instrumentos portáteis
Os instrumentos portáteis são empregados na manutenção ou em laboratório e, portanto, de uso
descontínuo, para avaliação, controle e pesquisa de uma instalação ou de um outro instrumento.
De acordo com a finalidade de uso do instrumento, deve-se fazer a sua escolha, portanto, um
instrumento para a manutenção de instalações, sujeito a trabalhos em condições adversas, deve ser
um instrumento sólido, construído de modo a suportar choques e vibrações, não havendo
necessidade de ter grande sensibilidade ou uma grande precisão. Isto não acontece no entanto, com
os instrumentos e laboratório que poderão ser de construção mais frágil, mas conservando grande
sensibilidade e precisão, pois poderão servir como padrões para aferição de outros instrumentos ou
empregados para medições exatas de grandezas importantes.
11
1.2.3 Quanto ao tipo de grandeza mensurável
•
Amperímetro;
•
Voltímetro;
•
Frequencimetro;
•
Wattímetro;
•
Fasímetro;
•
Varímetro;
•
Ohmímetro, etc.
1.2.4 Quanto a natureza do torque moto ( instrumentos
eletromecânicos )
Os instrumentos dividem-se de acordo com a finalidade e quanto aos sistemas de medição com
qual funcionam. Os sistemas de medição mais empregados são os seguintes:
•
Bobina Móvel e ímã permanente ( BMIP );
•
Ferro Móvel;
•
Lâminas vibráteis;
•
Eletrodinâmico;
•
Eletrônico Digital.
Modernamente estão se impondo os instrumentos com sistema eletrônico em virtude do
aperfeiçoamento e confiabilidade sempre melhor dos componentes eletrônicos.
12
1.3 Principio de funcionamento dos instrumentos de
medição
Os primeiros instrumentos para medidas de grandezas elétricas eram baseados na deflexão de
um ponteiro acoplado a uma bobina móvel imersa em um campo magnético, conforme figura 1.1..
Figura 1.1 – Ponteiro acoplado a uma bobina móvel
Uma corrente aplicada na bobina
produz o seu deslocamento pela força de Lorentz. Um
mecanismo de contra reação (em geral uma mola) produz uma força contraria ao modo que a
deflexão do ponteiro é proporcional à corrente na bobina.
Estes instrumentos analógicos, mesmo com a sua grande utilização, são de qualidades inferiores
se comparadas às dos instrumentos digitais, pois apresentam imprecisão de leitura, fragilidade,
desgastes mecânicos entre outros fatores.
Os instrumentos digitais atuais são inteiramente eletrônicos, não possuindo partes móveis. São
mais robustos, precisos, estáveis e duráveis. São baseados em conversores analógicos/digitais (A/D)
e são facilmente adaptáveis a uma leitura automatizada. Além disso, o custo dos instrumentos digitais
é em geral inferior (com exceção dos osciloscópios).
13
1.4 Detalhes Construtivos
A figura 1.2 mostra as partes principais de um instrumento de medidas elétricas. O instrumento,
propriamente dito, com os seus acessórios internos intercambiáveis se chama instrumento de medida
elétrica.
Figura 1.2 – Partes principais de um instrumento de medidas elétricas
O instrumento com seus acessórios externos intercambiáveis, ou não, formam o conjunto de
medição. Desmembrando o instrumento de medida elétrica em seus componentes principais
encontramos as seguintes partes:
•
O mecanismo ou sistema de medição;
•
A caixa externa de proteção;
•
O mostrador;
•
O ponteiro;
•
Acessórios internos.
•
Cada uma das partes mencionadas acima apresentam as características e funções que são
características de cada instrumento.
14
1.5 Algumas características elétricas dos
instrumentos de medição
Não é possível fazer uma medição cujo resultado seja absolutamente exato,
é importante
conhecer-se qual o grau de exatidão da medida e como os diferentes tipos de erros afetam a
medição. Um bom aparelho de medição requer sensibilidade e exatidão.
•
Sensibilidade é a relação entre o deslocamento da marca (percurso que a marca efetua sobre a
escala durante a medição) e a variação da grandeza de medida, referida sempre e somente ao
deslocamento da marca e nunca ao ângulo de desvio. Sensibilidade não significa o mesmo que
exatidão, como se pode comparar com a explicação que se dá de exatidão.
•
Exatidão é a aptidão de um instrumento para dar respostas próximas ao valor verdadeiro do
mensurando. A exatidão pressupõe a variabilidade das medidas (embora feitas em condições
idênticas), sendo o valor central da distribuição (geralmente a média aritmética) o “exato”.
Portanto, quanto maior a quantidade de medidas feitas, mais exata será sua representação.
Obviamente, é recomendável que todo instrumento ou método possua precisão e exatidão. A
primeira dessas qualidades de fidedignidade é controlada pela calibração, feita por comparação à
medida de um padrão cujo valor (preciso) é conhecido. Sem esse conhecimento, o desvio da
escala não pode ser aferido. Já a segunda característica (exatidão) pode ser conseguida pelo
aumento infinito do número de medidas. Ou, pelo menos, com um número finito, mas até a
aproximação desejada ou necessária.
•
Classe de precisão ou de exatidão: é a margem de erro porcentual que se pode obter na
medição de uma determinada grandeza, por meio de um instrumento de medidas elétricas. Os
instrumentos de precisão para laboratório têm classe de precisão de 0,1; 0,2 ou 0,5. Os
instrumentos de serviço para fins normais têm classe de precisão de 1,0; 1,5; 2,5 ou 5,0. Estes
números são conhecidos como “índice de classe” (IC) e podem ser calculados pela seguinte
equação:
Onde
representa o erro absoluto máximo.
Como exemplo da utilização da classe de precisão, consideremos a medição de tensão indicada
em 120V por um voltímetro de classe de precisão 1,5 e cuja escala graduada seja de 0 a 300V. Para
tanto está sendo solicitado que você calcule o erro absoluto máximo
15
Figura 1.3 – Dados para equação
Aplicando os dados acima na equação teremos o seguinte desenvolvimento e resultado:
Este resultado indica que os 120 V lidos no instrumento são, na realidade 120±4,5, ou seja, pode
variar de 115,5V a 124,5V.
É importante salientar que a Classe de precisão ou de exatidão deve vir impresso no visor do
instrumento, conforme tabela abaixo.
Tabela 1.1 – Tabela de classe de precisão ou de exatidão
Instrumentos de alta
precisão
0,1
0,2
0,5
Classe
Erro em percentagem do valor, no final da
escala
•
± 0,1
± 0,2
± 0,5
Instrumentos para fins
normais
1,0
1,5
2,5
5,0
± 1,0
±1,5
± 2,5
± 5,0
Tensão de isolação ou tensão de prova é o valor máximo de tensão que um instrumento pode
receber entre sua parte interna (de material condutor) e sua parte externa (de material isolante).
Este valor é simbolicamente representado nos instrumentos por úmeros 1, 2, 3 ou 5, contidos no
interior de uma estrela.
Figura 1.4 – Wattímetro e símbolos para classe de isolação.
16
Os valores significam tensões de isolação em KV. Quando a estrela se encontrar vazia a tensão
de isolação é de 500V. Devemos tomar o cuidado de não utilizar instrumentos de medidas elétricas
com tensão de isolação inferior à tensão da rede, pois podemos causar danos aos instrumentos e
risco ao operador. A tensão de isolação deve ser sempre maior que a tensão da rede.
•
Categoria de medição: é definida pelos padrões internacionais, podendo variar entre os níveis I
a IV, onde os sistemas são divididos de acordo com a distribuição de energia. Esta divisão é
baseada no fato de que um transiente perigoso de alta energia, como um raio, será atenuado ou
amortecido à medida que passa pela impedância (resistência CA) do sistema.
Figura 1.5 - Categoria de medição
17
1.6 Noções de Padrão, Aferição e Calibração
1.6.1 Padrão
É um elemento ou instrumento de medida destinado a definir, conservar e reproduzir a unidade
base de medida de uma determinada grandeza. Possui uma alta estabilidade com o tempo e é
mantido em um ambiente neutro e controlado. (temperatura, pressão, umidade, etc.)
1.6.2 Aferição
Procedimento de comparação entre o valor lido por um instrumento e o valor padrão apropriado
da mesma grandeza. Apresenta caráter passivo, pois os erros são determinados, mas não corrigidos.
1.6.3 Calibração
Procedimento que consiste em ajustar o valor lido com um instrumento com o valor padrão de
mesma natureza. Apresenta caráter ativo, pois além de determinado é corrigido
18
II – TEORIA DOS ERROS
2.1 Classificação dos Erros
Podemos definir os erros que surgem nas leituras dos instrumentos de medição como sendo o
desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como verdadeiro). De acordo
com a causa, ou origem, dos erros cometidos nas medidas, estes podem ser classificados em:
grosseiros, sistemáticos e acidentais.
2.1.1 Erros grosseiros
São erros causados por falha do operador, como 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, ajustes e aplicações incorretas dos
equipamentos e o erro de "paralaxe". Esses erros ocorrem normalmente pela imperícia ou distração
do operador.
O erro de paralaxe é um erro de observação que ocorre quando o olho humano não está
diretamente sobre o ponteiro do medidor.
Uma visada oblíqua causa o deslocamento aparente do ponteiro para a direita ou para a
esquerda, dependendo de que lado do ponteiro o olho do observador está localizado.
A fim de reduzir o erro de paralaxe, a maioria dos instrumentos de bancada e multitestes são
providos de um espelho no mostrador. Para usar a escala de espelho, um olho só deve ser
empregado; o olho deve então ser posicionado de modo a fazer com que o ponteiro e seu reflexo no
espelho coincidam.
19
A seguir, a medida pode ser lida com o máximo de exatidão.
Figura 2.1 – Erro de paralaxe
Os erros grosseiros podem ser evitados com a repetição dos ensaios pelo mesmo operador, ou
por outros operadores.
2.1.2 Erros sistemáticos
Este tipo de erro é geralmente dividido em duas categorias: erros instrumentais e erros
ambientais.
2.1.2.1 Erros Instrumentais
São erros inerentes aos instrumentos de medição devido à sua estrutura interna. Por exemplo, o
atrito entre as partes móveis dos instrumentos, tensão mecânica irregular da mola de torção, consumo
de energia elétrica dos instrumentos, etc.
Estes erros farão com que o instrumento dê indicação
incorreta. Podemos também citar como exemplo de erros instrumentais os erros de calibração,
motivando indicações superiores ou inferiores ao longo de toda a escala do instrumento.
20
2.1.2.2 Erros ambientais
São erros devidos às condições externas ao dispositivo de medição, incluindo o meio
circundante, como por exemplo as variações de temperatura, umidade, pressão ou campos elétricos e
magnéticos. Alterações na temperatura ambiente causam mudanças nas propriedades elásticas das
molas e na resistência elétrica dos resistores que compõem a estrutura interna do instrumento,
afetando sua indicação. Campos magnéticos externos causam alterações na intensidade do campo
magnético interno dos instrumentos do qual depende seu funcionamento correto. Podemos evitar os
erros ambientais tomando os seguintes cuidados ou precauções:
•
Utilização de ar condicionado ( necessário apenas em medições de alto grau de exatidão, como
por exemplo medições em laboratório).
•
Uso de blindagens magnéticas (necessárias aos instrumentos eletrodinâmicos que são utilizados
próximos à fontes de campos magnéticos, como por exemplo, motores, transformadores, etc.).
2.1.3 Erros acidentais
A experiência mostra que, a mesma pessoa, realizando os mesmos ensaios com os mesmos
elementos constitutivos de um circuito elétrico, não consegue obter, cada vez, o mesmo resultado. A
divergência entre estes resultados é devida à existência de um fator incontrolável, o “fator sorte”. Para
usar uma tecnologia mais científica, diremos que os erros acidentais são a conseqüência do
“imponderável” (algo que não se pode avaliar). Como já foi dito, são erros essencialmente variáveis e
não suscetíveis de limitação. Este tipo de erro só é detectável em medições de alto grau de exatidão.
21
2.2 Erro absoluto e erro relativo
A palavra “erro” designa a diferença algébrica entre o valor medido Vm de uma grandeza e o seu
valor verdadeiro, ou aceito como verdadeiro, Ve , ou seja:
∆V = Vm - Ve
Onde o valor ∆ V é chamado de “erro absoluto”.
Quando o valor Vm encontrado na medida é maior que o valor verdadeiro Ve, diz-se que o erro
cometido é “por excesso”. Quando Vm é menor que Ve , diz-se que o erro cometido é “por falta”.
O “erro relativo” “e” é definido como a relação entre o erro absoluto ∆V e o valor verdadeiro Ve da
grandeza medida:
e = ∆V
Ve
Para definirmos o erro relativo percentual aplicamos o seguinte equacionamento:
e = ∆V x 100 (%)
Ve
22
III – SIMBOLOGIA EMPREGADA NOS
INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
3.1 Considerações Gerais
Para a identificação rápida das diversas características do instrumento de medida, foram
adotados símbolos inscritos na escala, de modo que cada um determina uma destas características.
Os diversos símbolos usados na eletrotécnica e no campo de medição elétrica são mostrados nas
tabelas a seguir.
Figura 3.1 – Símbolos diversos
23
Figura 3.2 – Símbolos diversos (2)
24
Figura 3.3 – Símbolos diversos (3)
25
Figura 3.4 – Símbolos diversos (4)
26
IV – INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE
BOBINA MÓVEL
4.1 Introdução
Os instrumenos de bobina móvel são apropriados para medição de correntes muito pequenas.
Atualmente constroem-se sistemas muito robustos e sensiveis que permitem a medição da corrente
da ordem de 10µA e ainda menores.
Os instrumentos de medidas elétricas, salvo raras exceções, podem ser distribuídos quanto ao
modo de funcionamento do sistema de medição em quatro grandes grupos que são:
•
Magnéticos;
•
Térmicos;
•
Eletrostáticos;
•
De Vibração;
•
Eletrônicos.
Os instrumentos de medição magnéticos destinam-se a medir uma grandeza elétrica em circuito,
pelo deslocamento de uma parte móvel em relação a uma parte fixa. Tal deslocamento pode ser
produzido toda vez que uma destas partes é percorrida por uma corrente, gerando um campo
magnético.
Entre a amplitude da corrente e o deslocamento da parte móvel, existe uma proporcionalidade
que fica indicada na aferição da escala.
Neste grupo de instrumentos encontramos os três subgrupos, mais importantes que estão
descritos abaixo:
•
Instrumentos de bobina móvel ou de ímã permanente;
•
Instrumentos de Ferro Móvel;
•
Instrumentos Eletrodinâmicos ou Ferrodinâmicos.
27
4.2 Instrumentos de bobina móvel ou de ímã
permanente
Os instrumentos de bobina móvel são os mais utilizados em instalações elétricas. É um dos
primeiros aparelhos que possibilitaram a realização de medição de precisão. Coube ao físico
D´Arsonval o mérito do seu aperfeiçoamento definitivo. Por esta razão o sistema de medição de
medição de bobina móvel ou de ímã permanente é conhecido universalmente como sistema
D´Arsonval.
4.2.1 Constituição
Figura 4.1 Instrumento de bobina móvel ou de imã permanente
Conhecidos também pelos nomes de “instrumentos de bobina móvel e ímã fixo” ou “instrumentos
magneto-elétricos”, estes instrumentos são constituídos, essencialmente das partes mostradas na
figura 4.1, que são:
•
Ímã permanente de peças polares cilíndricas.
•
Núcleo cilíndrico de ferro doce, com a finalidade de tornar radiais as linhas de fluxo.
•
Quadro retangular de metal condutor, em geral feito de alumínio, com a finalidade de servir de
suporte à bobina e produzir amortecimento por correntes de Foucault.
28
•
Bobina de fio de cobre, enrolada sobre o quadro de alumínio por onde circulará a corrente a
medir.
•
Molas, que têm a finalidade de fazer a conexão elétrica da bobina móvel com os terminais do
instrumento e de produzir o torque “restaurador”, ou “antagonista”, que agirá em oposição ao
torque motor.
•
Mancal que tem a finalidade de suportar o elemento móvel.
•
Parafuso de ajuste do zero da escala (não mostrado na figura).
•
Espelho para evitar erro de paralaxe (não mostrado na figura).
•
Ponteiro e escala.
4.2.2 Principio de Funcionamento
4.2.2.1 O Torque Motor
Os instrumentos elétricos empregados na medição das grandezas elétricas, com exceção dos
digitais, têm sempre um conjunto móvel que é deslocado pela ação de um torque motor originado por
um dos efeitos da corrente elétrica: efeito térmico, efeito magnético, etc.
F
PÓLO
PÓLO
NORTE
i
SUL
O
F
Figura 4.2 – Torque Motor
Os instrumentos BMIP têm o seu princípio de funcionamento baseado no teorema do
magnetismo o qual estabelece que: ”Um condutor percorrido por uma corrente i imerso num campo
magnético B fica submetido à ação de uma força F cujo sentido é dado pela regra dos 3 dedos da
mão esquerda.” Para sabermos o sentido da força F devemos posicionar o dedo indicador no sentido
do campo magnético e o dedo médio no sentido da corrente.
pelo polegar.
29
O sentido da força F nos será dado
Assim, considerando-se que a corrente na bobina móvel e o campo magnético de um
instrumento BMIP têm o sentido indicado na figura 4.2, teremos a ação de duas forças F (uma de
cada lado da bobina) com mesma direção e sentidos contrários, conforme indicado nesta figura.
A
um sistema de forças como este dá-se o nome de “par, binário ou conjugado” e o momento por ele
produzido em relação ao eixo de rotação da bobina (ponto “O”) chama-se torque. No caso específico
do torque produzido pela interação da corrente da bobina móvel com o campo magnético do ímã
permanente este recebe o nome de “torque motor” e é representado por “τm”. No instrumento BMIP
representado na figura 4.2 o torque motor tem sentido horário. Invertendo-se o sentido da corrente
que circula na bobina móvel desta figura haverá a inversão do sentido do torque motor, uma vez que
o sentido do campo magnético produzido pelo imã permanente não se altera.
4.2.2.2 Torque Restaurador ou Antagonisgta
Quando o elemento móvel se desloca, devido à ação do torque motor, as molas “m”, com uma
extremidade presa ao eixo da bobina e a outra à carcaça do instrumento, ficam sob tensão mecânica,
originando o “torque restaurador ou antagonista”, representado por “τa”, cujo sentido é contrário ao
torque motor. Estas molas, além de produzirem o torque restaurador, têm como função fazer com
que o elemento móvel retorne à posição zero, quando cessado o torque motor (i = 0), e também de
servir de condutor para a corrente que circula na bobina móvel.
Nos instrumentos que utilizam
suspensão por fio o torque restaurador é fornecido pela resistência do fio à torção.
O fio de
sustentação destes instrumentos também tem como finalidade conduzir a corrente até a bobina
móvel.
OBS: - Na posição “zero” ou de “repouso”,
τm = τa = 0
- Na posição de equilíbrio (medição),
τm = τa ≠ 0
4.2.2.3 Torque de Amortecimento
O torque de amortecimento “τam “ é produzido pela ação do freio no conjunto móvel.
No instrumento tipo “indicador” o freio tem a função de evitar as oscilações do conjunto móvel em
torno da posição de equilíbrio e evitar também os deslocamentos bruscos do conjunto móvel ao partir
da posição de repouso e ao voltar a ela, quando cessado o torque motor. Nos instrumentos de bobina
móvel e ímã permanente o torque de amortecimento é produzido pela fôrma de alumínio em torno da
qual a bobina móvel é enrolada.
30
A fôrma de alumínio atua como uma espira curto-circuitada imersa em um campo magnético,
conforme mostrado na figura 4.3. O freio de indução mostrado nesta figura funciona da seguinte
maneira:
Quando o conjunto móvel se desloca no sentido horário, pela ação do torque motor, os lados
da espira cortam as linhas de fluxo do campo magnético produzido pelo ímã permanente. Na espira é
induzida uma corrente cujo sentido é dado pela regra da mão direita, onde o indicador deve ser
colocado no sentido do campo magnético do ímã permanente e o polegar no sentido do deslocamento
do lado da espira em estudo. O sentido da corrente elétrica, que circula nos lados da espira, é dado
pelo dedo médio e aponta para fora do papel, no lado direito da bobina da figura 3.3, e para dentro do
papel no lado esquerdo, considerando-se que o conjunto móvel está girando no sentido horário.
A interação entre a corrente que circula na espira (fôrma de alumínio) e o fluxo magnético do ímã
permanente dá origem às forças “Fam”, cujo sentido é dado pela regra da mão esquerda.
Estas
forças por sua vez produzem no conjunto móvel um “torque de amortecimento” cujo sentido é oposto
ao deslocamento angular do elemento móvel.
No caso da figura 4.3, o torque de amortecimento tem
sentido anti-horário.
τam
τm
Fam
PÓLO
NORTE
PÓLO
SUL
Ii
Fam
Figura 4.3 - Torque de Amortecimento
Conforme a velocidade do conjunto móvel diminui, a força Fam também diminui, de modo que
quando o conjunto móvel pára os lados da espira (fôrma de alumínio) não cortam mais as linhas de
força do campo magnético produzido pelo ímã permanente, fazendo com que a corrente induzida na
fôrma de alumínio e, conseqüentemente o torque de amortecimento sejam nulos .
Neste caso, os
únicos torques que atuam no conjunto móvel são o torque motor e o torque restaurador, os quais
possuem sentidos opostos, ou seja, o torque de amortecimento está condicionado ao deslocamento
do conjunto móvel.
Quando o conjunto móvel se desloca no sentido anti-horário o torque de amortecimento tem
sentido contrário ao anterior, ou seja, tem sentido horário.
31
V – APLICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS
DE BOBINA MÓVEL
5.1 Medição de tensões e correntes
Os instrumentos de medição do tipo de bobina móvel, devido a sua versatilidade são os mais
empregados em medições de laboratórios, principalmente no que se refere à medição de tensões e
correntes.
Trataremos neste capitulo das aplicações principais desses instrumentos, iniciando nossos
estudos com aqueles correspondentes
às medições de tensão e de corrente contínua com as
subseqüentes explicações e empregos de resistores e derivadores (Shunt).
5.1.1 Medição de tensões contínuas
Todo mecanismo Instrumentos de bobina móvel ou de ímã permanente possui uma certa tensão
nominal que causará a deflexão máxima ou de fundo de escala de seu ponteiro. Esta tensão nominal
é determinada pela corrente nominal,
ou de fundo de escala, e pela resistência interna do
instrumento Instrumentos de bobina móvel ou de ímã permanente.
Por exemplo, um instrumento Instrumentos de bobina móvel ou de ímã permanente de 50µA com
uma resistência interna de 2KΩ deflexionará até o fim da escala quando uma tensão de 0,1V (50µA x
2KΩ) for aplicada entre os seus terminais.
Isso quer dizer que o mecanismo sozinho pode medir tensões de até 0,1V. Assim a escala do
medidor pode ser calibrada de 0 a 0,1V. Porém, se ele receber uma tensão muito maior, tal como
10V, por exemplo, poderá danificar-se.
Para ampliarmos a faixa de medição do voltímetro devemos colocar um resistor em série com o
instrumento de bobina móvel ou de ímã permanente. Este resistor recebe a denominação de "resistor
complementar" e tem a função de limitar a corrente no instrumento de bobina móvel ou de ímã
permanente a um valor menor ou igual à corrente nominal do instrumento.
32
Quando a tensão aplicada nos terminais do instrumento for igual ao seu calibre, a corrente que
circulará no instrumento de bobina móvel ou de ímã permanente será igual à corrente nominal, o que
ocasionará a deflexão do ponteiro até o fim da escala.
BMIP
C
Rc
_
+
Figura 5.1 - Medição de tensões contínuas
5.1.1.1 Voltímetro de múltiplos calibres
Se o instrumento for de múltiplos calibres, haverá tantos resistores para serem conectados em
série com o instrumento de bobina móvel ou de ímã permanente quantos forem os calibres do
instrumento, sendo a seleção do resistor feita por meio de uma chave seletora (figura 5.2.a), pelos
bornes do instrumento (figura 5.2.b) ou ambas.
BMIP
BMIP
Rc
Rc
Rc
Rc
Rc
Rc
S
C
C
_
+
+
_
B
A
Figura 5.2 - Voltímetro de múltiplos calibres
33
+
V1
+
V2
V3
5.1.2 Medição de tensões Alternadas
Se ligarmos um instrumento de bobina móvel e ímã permanente à uma fonte de tensão
alternada, durante meio ciclo haverá um torque deflexionando o ponteiro em direção ao fundo de
escala e no meio ciclo seguinte, teremos um torque deflexionando o ponteiro em sentido oposto,
resultando num torque motor médio nulo.
Se a freqüência for muito baixa, menor do que 10 Hz, por exemplo, o ponteiro oscilará em torno
do ponto zero. À freqüência comercial (60Hz), para os instrumentos comuns a inércia é tal que o
ponteiro não sai muito da origem, mas apenas vibra ligeiramente em torno do zero.
Conseqüentemente, se ligarmos um instrumento de bobina móvel e ímã permanente diretamente
à um circuito de corrente alternada, não conseguiremos obter leitura alguma. Para solucionar este
problema, o fabricante do instrumento faz a ligação do instrumento de bobina móvel e ímã
permanente à fonte CA através de um circuito retificador o qual converte a tensão alternada em uma
tensão pulsante unidirecional.
34
5.1.2.1 Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com
retificador
Nas figuras 5.3 e 5.4 apresentamos dentro do tracejado o circuito interno de um voltímetro de
corrente alternada onde o instrumento BMIP é ligado à uma fonte de tensão alternada (cujo valor
eficaz se deseja conhecer) através de retificador de meia onda e através de retificador de onda
completa, respectivamente.
A tensão agora aplicada ao elemento móvel do instrumento não é mais uma tensão alternada,
mas uma tensão pulsante unidirecional.
Se a freqüência da fonte de tensão alternada for superior à 10 Hz, o ponteiro do instrumento
convergirá para o valor médio da tensão devido à inércia do elemento móvel que faz com que o
ponteiro não consiga acompanhar as variações rápidas da tensão. Com freqüência menor do que 10
Hz, haverá uma vibração indesejável do ponteiro.
V
D
R
t
+
V
_
+
~
VG
BMIP
_
VG
VOLTÍMETRO CA
Figura 5.3 - Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com retificador
t
V
R
+
V
_
D1
t
~
D4
D2
D3
+
VG
BMIP
_
_
VG
VOLTÍMETRO CA
t
Figura 5.4 - Instrumento de bobina móvel e ímã permanente com retificador (2)
35
OBS: A deflexão do ponteiro do instrumento BMIP é proporcional ao valor médio da tensão
retificada que é aplicada na bobina móvel do instrumento BMIP. Porém, o que queremos medir é o
valor eficaz da tensão alternada. No caso de uma tensão alternada senoidal, a relação entre o valor
médio da tensão retificada e o valor eficaz da tensão alternada é igual a 1,11, para o retificador de
onda completa, e 2,22 para o retificador de meia onda. Este valor é levado em consideração no
projeto do multiteste.
5.1.3 Cuidados no manuseio do voltímetro (CC ou CA)
•
Ao usar um voltímetro de múltiplos calibres ou um multiteste, se não souber a ordem de
grandeza da tensão a ser medida, comece pelo maior calibre e então vá decrescendo até obter
uma boa indicação.
•
Observar a polaridade correta ao medir valor de tensão contínua. Polaridade invertida causará
deflexão contrária, podendo danificar o ponteiro indicador devido ao choque com o batente.
Com tensão alternada, o ponteiro do instrumento irá deflexionar sempre no sentido correto.
36
5.1.4 Medição como Amperímetro DC
Amperímetro é o instrumento que mede corrente elétrica. Comumente podemos chamar de
miliamperímetros e microamperímetros, instrumentos que medem correntes da ordem de miliampéres
e microampéres, respectivamente.
Para a medição de corrente elétrica podemos utilizar um instrumento de bobina móvel e ímã
permanente (BMIP) conectado em série com a carga. Desta forma, a corrente que circula pela carga
circulará também pelo instrumento BMIP. Porém, uma vez que a corrente nominal ou de fundo de
escala do instrumento BMIP é muito pequena, nossa medição ficará limitada a correntes de pequena
intensidade (da ordem de µA ou mA no máximo).
BMIP
I
_
+
C
A
R
G
A
+
VCC
_
Figura 5.5 - Medição como Amperímetro DC
Se quisermos medir correntes de maior intensidade, devemos colocar em paralelo com o
instrumento BMIP um resistor para desviar parte da corrente de carga do instrumento.
Este resistor é denominado de resistor "SHUNT" ou "DERIVAÇÃO" e é dimensionado de modo
que quando a corrente de carga for igual ao calibre do amperímetro, a corrente no instrumento BMIP
será igual à corrente de fundo de escala (menor do que a corrente de carga), deslocando o ponteiro
do instrumento até o fim da escala.
Quando a corrente de carga for menor do que o calibre do
amperímetro, a corrente no instrumento BMIP será menor do que a corrente de fundo de escala e o
ponteiro não mais deflexionará até o fundo de escala.
A escala do instrumento é graduada em função da corrente da carga (que é a corrente que
desejamos conhecer) e não da corrente que circula pelo instrumento BMIP.
37
A razão para o resistor Rs ser conectado em paralelo com o instrumento BMIP é que ao contrário
do voltímetro, o amperímetro vai ligado em série com a carga e sua resistência deve ser a menor
possível para não alterar de modo significativo o valor da corrente que o instrumento vai medir.
IB
BMIP
IS
I
VCC
+
RS
_
C
A
R
G
A
+
_
Figura 5.6 - Medição como Amperímetro DC
5.1.4.1 Amperímetro de múltiplos calibres (multiamperímetro)
BMIP
RS1
RS2
BMIP
A1
A2
RS1
RS2
RS3
RS3
A3
+
-C
-C
A
+ A1
+ A2
+ A3
B
Figura 5.7 - Amperímetro de múltiplos calibres (multiamperímetro)
Da mesma forma que no voltímetro, a seleção do calibre do amperímetro pode ser feita por meio
de uma chave seletora (figura 5.7.a), pelos bornes do instrumento (figura 5.7.b) ou ambos.
38
5.1.4.2 Modo de ligar o Amperímetro:
Para se medir a intensidade de corrente elétrica num trecho do circuito, é necessário que essa
corrente percorra o medidor, que deve estar
introduzido em série com o circuito, no trecho
considerado.
R
+
V
_
A
I
Figura 5.8 - Modo de ligar o Amperímetro
5.1.4.3 Erro provocado pelo Amperímetro na corrente do circuito
Quando introduzido no circuito para medir uma corrente elétrica, o amperímetro provoca uma
alteração na corrente que está sendo medida. Esta alteração ocorre porque o medidor, como todo
condutor, possui uma resistência chamada de resistência interna ( Ri ). Pelo fato de ser introduzida
essa resistência Ri em série no circuito a resistência total do circuito fica maior, conforme podemos
observar na figura 3.16 onde a resistência total do circuito é R + RI . Assim a corrente altera-se para
um valor menor do que o real.
Portanto, quanto menor for a resistência interna do amperímetro (Ri), mais próxima da corrente
original estará a indicação do instrumento, ou seja, menor será o erro introduzido pelo instrumento na
corrente medida. O amperímetro ideal apresenta resistência interna nula.
39
5.1.4.4 Cuidados no manuseio do amperímetro:
•
Jamais ligar um amperímetro direto nos terminais de uma fonte de tensão. Devido à
baixa resistência do amperímetro circulará uma alta intensidade de corrente que poderá
danificar o delicado mecanismo da bobina móvel. Ligar um amperímetro sempre em série
com uma carga que limite a corrente a um valor seguro.
•
Ao usar um multiamperímetro, comece o teste sempre pela maior escala; dai, então, vá
selecionando escalas menores até obter uma deflexão razoável.
•
Toda vez que for necessário trocar a posição da chave comutadora, devemos desligar
uma das ponteiras do circuito, pois durante a comutação de um calibre para outro o
instrumento de bobina móvel e ímã permanente poderá ficar sem resistor shunt, o que
poderá causar danos ao equipamento.
•
Observar a polaridade correta. Uma ligação incorreta provoca deflexão no sentido
contrário, o ponteiro pode danificar-se quando se chocar contra o batente.
5.1.5 Medição como Ohmímetro
O Ohmímetro é um instrumento utilizado na medição de resistências de pequeno e médio valor.
É constituído basicamente de duas pontas de prova, uma bateria, um instrumento BMIP, uma
resistência fixa R1 e uma resistência variável R2 ligados em série como mostrado na figura 5.9.
R1
BMIP
_
R2
BATERIA
+
(PRETA)
(VERMELHA)
_
+
Ponteiras de prova
Figura 5.9 - Medição como Ohmímetro
40
O Ohmímetro funciona da seguinte maneira:
Quando as pontas de prova estão em aberto, não há corrente circulando pelo mecanismo BMIP e
o ponteiro fica em repouso na extremidade esquerda da escala. Este ponto é identificado com o
símbolo de infinito (∞), pois corresponde a uma resistência infinita ou muito maior que a capacidade
do instrumento em medir.
Conectando-se as ponteiras de prova do Ohmímetro nos terminais de um resistor R, a bateria
interna gera uma corrente elétrica que circula pelo instrumento BMIP, fazendo com que o ponteiro do
instrumento se desloque para uma posição da escala que depende do valor desta corrente e,
conseqüentemente do valor do resistor R. Porém, a escala do medidor é marcada em ohms, com o
zero ohms à direita, e não em unidade de corrente, pois o que queremos medir é o valor do resistor
conectado nas ponteiras de prova do Ohmímetro.
O potenciômetro R2 permite que se faça o ajuste de zero ohms na deflexão de fim de escala e
também tem como função compensar a diminuição da tensão da bateria. Toda vez que formos efetuar
medidas de resistências devemos curto-circuitar as pontas de prova e variar a resistência R2
(potenciômetro de ajuste) até que o ponteiro do instrumento se desloque para a posição de zero
ohms.
O resistor R1 tem a função de limitar a corrente a um valor suportável pelo instrumento BMIP,
mesmo que a resistência do potenciômetro R2 seja nula.
Um Ohmímetro é um instrumento de várias faixas que possibilita uma ampla gama de medidas.
Um Ohmímetro típico possui faixas de x1, x10, x1K, x10K que possibilitam a leitura de resistências
desde zero até vários megohms.
Nos Multitestes com indicação analógica (com ponteiro), geralmente o pólo positivo da bateria
interna está conectado no borne comum (-) (borne preto) do instrumento, enquanto que o pólo
negativo está conectado no borne (+) (borne vermelho). Este conhecimento é importante quando se
deseja identificar os terminais de um componente eletrônico, como por exemplo anodo e catodo de
um diodo, ou identificar o tipo de transistor, NPN ou PNP.
inversão não ocorre.
41
Em geral nos Multitestes digitais esta
5.1.5.1 Cuidados na utilização do Ohmímetro:
Nunca meça resistências elétricas em circuitos alimentados com tensão, pois isto danificará o
instrumento. Em circuitos que contenham capacitores, espere até que os mesmos estejam
completamente descarregados.
5.1.5.2 Testes com o Ohmímetro
Teste de continuidade:
Este teste é realizado com o objetivo de verificar se um fio condutor, uma chave, um fusível etc.,
está em boas condições de funcionamento.
A chave comutadora do instrumento deve estar em x1.
•
Condutor inteiro: resistência aproximadamente igual a zero,
•
Condutor interrompido: resistência aproximadamente infinita.
Teste de isolação:
Este teste é realizado com o objetivo de verificar se uma resistência (ferro elétrico, chuveiro,
enrolamento de um transformador, etc.), está isolada da carcaça do dispositivo, o que evita o choque
elétrico em nosso corpo.
A chave comutadora deve estar posicionada no maior multiplicador.
Carcaça do transformador
Enrolamento do transformador
Figura 5.10 - Teste de isolação
42
Se os enrolamentos de um transformador estiverem isolados da carcaça, o Ohmímetro deverá
indicar resistência infinita, caso contrário a resistência indicada será nula.
Ω
Figura 5.11 - Medição da resistência de um resistor
Tabela 5.1 - Código de cores para resistores
a
Preto
Marrom
Vermelho
Laranja
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
Cinza
Branco
Ouro
Prata
1 Faixa
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
a
2 Faixa
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
•
A 1a e a 2a faixas - são algarismos
•
A 3a faixa - o multiplicador
•
A 4a faixa - a tolerância
a
3 Faixa
X1
X10
2
X10
3
X10
4
X10
5
X10
6
X10
7
X10
8
X10
9
X10
-1
X10
-2
X10
a
4 Faixa
1%
5%
10%
OBS. Os resistores de 1% de tolerância apresentam 5 faixas, sendo as 3 primeiras os
algarismos, a 4a o multiplicador e a 5a a tolerância.
- Quando não houver a 4a faixa a tolerância do resistor é de 20 %.
43
VI – INSTRUMENTOS DE FERRO MÓVEL
6.1 Introdução
São
também
conhecidos
como
"instrumentos
ferromagnéticos"
ou
"instrumentos
eletromagnéticos". Podem ser subdivididos em duas classificações gerais: o instrumento tipo atração
e o instrumento tipo repulsão, cada um deles tendo diversas subdivisões.
O instrumento de ferro móvel que será estudado nesta unidade é do tipo repulsão de palhetas
concêntricas.
44
6.2 Instrumentos de repulsão ou de palheta móvel
6.2.1 Princípio de Funcionamento
F
F
N
F
F
N
S
S
N
N
S
S
N
F
F
I
N
F
F
I=0
I
+
VC
_
_
A
VC
+
B
C
Figura 6.1 - Princípio de Funcionamento
Se duas peças ou palhetas de ferro doce forem montadas juntas dentro de uma bobina e uma
corrente circular através dela, as palhetas de ferro serão magnetizadas com pólos norte em uma
extremidade e sul na outra.
Esta situação pode ser vista na figura 6.1.a. Pelo princípio da "atração e repulsão" do
magnetismo, sabe-se que pólos de mesmo nome sempre se repelem e pólos de nome diferente
sempre se atraem. Portanto, as barras de ferro doce, representadas na figura 6.1.a irão se repelir.
Invertendo-se o sentido da corrente da bobina, conforme mostrado na figura 6.1.b, haverá uma
inversão simultânea do fluxo magnético nas duas barras.
Como conseqüência, teremos uma inversão simultânea dos pólos magnéticos das duas barras e
a força ainda será de repulsão.
Portanto, as forças que atuam sobre as barras são sempre de repulsão, qualquer que seja o
sentido da corrente na bobina.
Por este motivo, um instrumento construído sob este princípio de funcionamento pode ser usado
tanto para medição de corrente alternada quanto em corrente contínua.
Na figura 6.1.c não há força de repulsão, pois a corrente que circula pela bobina é nula.
A força de repulsão poderá ser empregada com a finalidade de medição quando uma barra
estiver montada rigidamente sobre o suporte da bobina e a outra estiver montada sobre o eixo de giro
do instrumento.
45
6.2.2 Instrumentos de repulsão de lâminas concêntricas
Neste instrumento, uma pequena lâmina móvel de ferro doce, encurvada em forma cilíndrica está
montada em um eixo que pode girar sem obstáculos como se pode ver na figura 6.2. Uma outra
lâmina, mais ou menos em forma de cunha e cujo raio é maior do que o da lâmina móvel, está fixada
dentro de uma bobina de formato cilíndrico.
Quando há circulação de corrente pela bobina, as linhas de força do campo magnético produzido
no seu interior passam através das lâminas e fazem com que elas se magnetizem na mesma direção.
Entretanto, as linhas de força magnéticas não se distribuem uniformemente pela lâmina fixa devido ao
seu formato de cunha. Menor número de linhas de força passarão pelo extremo estreito do que pelo
lado mais largo, porque a borda estreita oferecerá maior resistência ou oposição às linhas
magnéticas. Portanto, a parte ampla da lâmina torna-se mais fortemente magnetizada do que o lado
afilado. Na lâmina móvel as linhas de fluxo do campo magnético se distribuem uniformemente
fazendo com que ela seja magnetizada com a mesma intensidade ao longo de sua extensão.
PONTEIRO
LÂMINA
MÓVEL
BOBINA
EIXO
1.1.1
N
N
S
S
S
LÂMINA FIXA
Figura 6.2 - Instrumentos de repulsão de lâminas concêntricas
Considerando-se corrente elétrica circulando em sentido anti-horário na bobina da figura 6.2
(olhando-se de cima), as lâminas serão magnetizadas com pólo norte em cima e sul em baixo. Os
pólos norte e sul do lado estreito da lâmina fixa repelem os pólos norte e sul, respectivamente, da
lâmina móvel, dando origem a um torque no conjunto móvel no sentido anti-horário.
Da mesma
forma, os pólos norte e sul do lado mais largo da lâmina fixa repelem os pólos norte e sul,
46
respectivamente, da lâmina móvel, dando origem a um torque no conjunto móvel no sentido horário.
Como o lado mais largo da lâmina fixa está mais fortemente magnetizado o torque produzido por este
lado da lâmina será mais intenso do que o torque produzido pelo lado mais estreito e o torque
resultante terá sentido horário.
Invertendo-se o sentido da corrente na bobina, haverá a inversão
simultânea dos pólos das duas lâminas sendo que o torque resultante continuará com sentido horário.
Portanto, qualquer que seja o sentido da corrente que circula na bobina, a lâmina móvel será
sempre forçada a girar rumo ao lado mais fino da lâmina estacionária fazendo o ponteiro defletir para
o topo da escala.
6.2.2.1 Vantagens e desvantagens do instrumento de ferro móvel
tipo repulsão
Vantagens
•
Simplicidade,
•
Baixo custo,
•
Robustez,
•
Não circula corrente pela parte móvel, portanto, o elemento móvel não é danificado por
sobrecorrentes, ainda que elevadas,
•
Fácil manutenção.
OBS: Por serem robustos e de baixo custo, os instrumentos de ferro móvel tipo repulsão se
constituem no tipo de instrumento mais utilizado para medição de tensão e corrente em quadros de
comando e distribuição.
Desvantagens
Os instrumentos de ferro móvel exigem mais corrente para produzir a deflexão de fundo de
escala do que os instrumentos de bobina móvel e ímã permanente (BMIP), ou seja, são menos
sensíveis e apresentam maiores perdas de energia. Por isso, raramente são usados em circuitos de
baixa potência. São mais apropriados para serem utilizados em circuitos que operam com correntes
relativamente altas, como as encontradas em circuitos de corrente alternada.
47
6.2.3 Amortecimento do conjunto móvel
Nos instrumentos de ferro móvel e eletrodinâmicos (que estudaremos a seguir) o amortecimento
do conjunto móvel em geral é do tipo: por atrito sobre ar, por atrito sobre líquido ou magnético. Nos
três tipos o valor do torque de amortecimento é proporcional à velocidade angular do conjunto móvel e
seu sentido é contrário ao deslocamento do conjunto móvel.
6.2.3.1 Amortecimento por atrito sobre o ar
Neste tipo de freio o torque amortecedor é produzido pela resistência imposta pelo ar ao
deslocamento de uma palheta metálica, presa ao eixo de rotação do conjunto móvel, ao qual está
também preso o ponteiro, conforme se vê na figura 6.3.
O ar passa de um lado para outro da caixa onde se encontra a palheta, através de pequenos
furos ou da folga existente entre a palheta e a caixa.
Uma vez que a passagem do ar se realiza de
forma gradual, resulta num amortecimento do elemento móvel.
PALHETA
Figura 6.3 - Amortecimento por atrito sobre o ar
48
6.2.3.2 Amortecimento por atrito sobre líquido
Neste tipo de freio, mostrado na figura 6.4, o torque amortecedor é produzido pela resistência
imposta pelo líquido ao deslocamento de palhetas solidárias ao eixo do conjunto móvel. Em geral se
utiliza como líquido de amortecimento o óleo mineral.
A viscosidade do líquido é escolhida de
acordo com o mais ou menos intenso amortecimento que se queira dar ao movimento do conjunto
móvel.
Eixo do conjunto móvel
palheta
Líquido de amortecimento
Figura 6.4 - Amortecimento por atrito sobre líquido
1 – lâmina
fixa
com forma
de cunha,
2 – lâmina móvel em forma
cilíndrica,
3 – bobina,
4 – mola que produz o torque
Figura 6.5 - Amortecimento por atrito sobre líquido (2)
49
6.2.3.3 Amortecimento magnético
A construção do amortecedor se resume na disposição de diversos ímãs em um semi-círculo
cuja imantação tem pólos alternados, conforme mostrado na figura 6.5 (6).
Sobre estes ímãs
permanentes se desloca uma lâmina de alumínio ou de cobre (5), solidária ao eixo do conjunto móvel,
na qual se produzem correntes cujos campos se opõem ao movimento do disco.
τam
I
ω
B
I
A
Figura 6.6 - Amortecimento magnético
Na figura 6.6 foi mostrada a lâmina condutora e o campo magnético produzido pelos ímãs
alternados com a lâmina vista de cima. O lado “A” da lâmina se encontra sobre um pólo sul (fluxo
magnético entrando na figura) e o lado “B” sobre um pólo norte (fluxo magnético saindo).
Podemos
considerar esta lâmina como sendo constituída de infinitas espiras, sendo que na figura 6.6
mostramos, em tracejado, apenas uma delas.
Devido ao deslocamento da lâmina em relação às linhas de fluxo magnético, produzidas pelos
pólos alternados, será induzida na espira uma corrente elétrica “I” cujo sentido é dado pela regra da
mão direita. Considerando-se deslocamento do conjunto móvel no sentido horário, esta corrente terá
o sentido mostrado na figura 6.6. A interação desta corrente com o fluxo magnético, produzido pelos
ímãs alternados, dá origem a uma força na espira cujo sentido é dado pela regra da mão esquerda.
Esta força produzirá um torque de amortecimento com sentido anti-horário, contrário, portanto, ao
sentido de deslocamento do conjunto móvel.
50
6.2.4 Escala
Nos instrumentos de bobina móvel e ímã permanente, as escalas de tensão e de corrente
contínua são lineares, ou seja, uma variação igual da grandeza medida no início, meio ou fim da
escala corresponderá à uma mesma variação do ângulo de deflexão do ponteiro.
Nos instrumentos
de ferro móvel podemos considerar sua escala aproximadamente linear para valores compreendidos
entre 20 e 100 % do valor de fundo de escala.
Conforme mostrado na figura 6.7, a faixa
compreendida entre 0 e 20 % do valor de fundo escala não possui divisões e a leitura obtida neste
intervalo terá uma exatidão muito pobre, devendo, portanto, ser evitada.
Figura 6.7 - Escala
6.2.5 Voltímetro de Ferro Móvel FOLTÍMETROS
Como os voltímetros são ligados em paralelo com a carga ou com a fonte, devem possuir
elevada resistência interna. Por isso, a bobina do voltímetro de ferro móvel deve ser construída com
muitas espiras de fio fino e, sempre que for necessário, se utiliza em série com o instrumento uma
resistência complementar.
51
6.2.5.1 Voltímetros de Ferro Móvel para quadros de distribuição e
comando
Dimensões
Os voltímetros são comercializados mais comumente com as seguintes dimensões:
•
144 x 144 mm: a abertura no painel deve ser de 138 x 138 mm.
•
96 x 96 mm: a abertura do painel deve ser de 92 x 92 mm.
•
72 x 72 mm: a abertura do painel deve ser de 69 x 69 mm.
Existem também voltímetros com dimensões retangulares e com formato circular.
Fundo de escala
O fundo de escala do instrumento (VFE) deve ser pelo menos 25 % superior ao valor eficaz da
tensão nominal do sistema (VEF) onde o voltímetro será instalado, ou seja:
VFE = 1,25 x VEF.
Sistema de ligação
Os voltímetros são ligados diretamente à rede em sistemas de baixa tensão (até 500 V),
conforme mostrado na figura 6.8.a ou através de transformadores de potencial (medição indireta) em
sistemas de alta tensão como na figura 6.8.b.
Rede elétrica
Rede elétrica
TP
V
V
a – Medição direta
b – Medição indireta
Figura 6.8 – Sistema de ligação
52
Especificação do instrumento
É necessário que se informe ao vendedor, na compra de voltímetros, os seguintes elementos:
•
Dimensões,
•
Tensão de fundo de escala,
•
Tipo (ferro móvel ou bobina móvel),
•
Freqüência nominal,
•
Tensão nominal da bobina, no caso de instrumentos ligados através de transformador de
potencial.
Ex: Voltímetro de ferro móvel, dimensões 96 x 96 mm, fundo de escala 500/115V e freqüência
de 60 Hz.
6.2.6 Amperímetro de Ferro Móvel
Como os amperímetros são ligados em série com a carga devem possuir baixa resistência e
elevada capacidade de condução de corrente. Por isto, a bobina do amperímetro de ferro móvel deve
ser construída com poucas voltas de fio grosso.
6.2.6.1 Amperímetro de Ferro móvel para quadros de distribuição e
comando
Dimensões
Os amperímetros de ferro móvel são comercializados com as mesmas dimensões padronizadas
para o voltímetro.
Fundo de Escala
O valor da corrente a ser medida pelo instrumento não deve se situar no fim da escala mas sim à
2/3 da mesma, para permitir a deflexão do ponteiro livremente no caso de picos de corrente.
Se a corrente eficaz a ser medida vale 2/3 do valor de fundo de escala, podemos dizer que:
IFE = 1,5 x IEF
Onde IEF = valor eficaz da corrente a ser medida e IFE = corrente de fundo de escala do
amperímetro.
53
Sobrecarga admissível para os amperímetros
Os instrumentos comercializados pela Siemens, permitem as seguintes sobrecargas:
•
Permanente = 1,2 x IFE
•
Curta duração = 10 x IFE durante 0,5 s, 9 vezes, com intervalos de 60 s, ou = 10 x IFE
durante 5 s uma vez.
Portanto, no dimensionamento de amperímetros para medição de corrente consumida por
motores elétricos, não precisamos nos preocupar com a corrente de partida do mesmo, pois o
amperímetro suporta até 10 x Ife durante 5 s.
Alguns instrumentos apresentam após o fundo de escala normal, uma escala reduzida que indica
valores de sobrecarga no circuito que se está medindo. Normalmente esta sobrecarga é de 2 vezes o
valor de fundo de escala normal.
Sistemas de ligação de amperímetros
Os amperímetros podem ser ligados ao sistema de duas maneiras:
•
Direta: Usada quando a corrente a ser medida é pequena.
Os amperímetros utilizados
para medição direta são fabricados para corrente nominal de no máximo 100 A.
•
Através de transformadores de corrente (medição indireta): Utilizada em circuitos de
tensão elevada e/ou de corrente elevada.
REDE ELÉTRICA
REDE ELÉTRICA
I
I
TC
A
A
CARGA
CARGA
a – medição direta
b – medição indireta
Figura 6.9 - Sistemas de ligação de amperímetros
Escala
Alguns amperímetros permitem a troca da escala. Com isto, para se ampliar a faixa da corrente
medida por um amperímetro basta trocar o TC e a escala.
54
Especificações do instrumento
É necessário que se estabeleça no pedido de compra do amperímetro, no mínimo os seguintes
elementos:
•
Dimensões,
•
Corrente de fundo de escala ou faixa de escala,
•
Tipo,
•
Freqüência nominal,
•
Corrente nominal da bobina, no caso de instrumentos ligados através de transformador
de corrente.
ex: Amperímetro tipo ferro-móvel, dimensões 96 x 96 mm, fundo de escala de 3000/5 A e
freqüência 60 Hz.
6.2.7 Chave comutadora para voltímetro e amperímetro
Ao invés de utilizarmos três amperímetros (um para cada fase) e três voltímetros (um para cada
tensão de linha) para medirmos a corrente e a tensão em um circuito trifásico, podemos utilizar
apenas 1 amperímetro e 1 voltímetro.
A conexão do amperímetro à cada uma das fases e do voltímetro à cada duas fases é feita
através de chaves comutadoras, uma para o amperímetro e uma para o voltímetro.
55
VII – INSTRUMENTOS ELETRODINÂMICOS
7.1 Considerações gerais
Os instrumentos componentes desse sistema estão baseados na ação múltipla de dois
condutores através dos quais circulam correntes.
Sabe-se que dois condutores com correntes de diferente sentido repelem-se, atraindo-se quando
tiverem o mesmo sentido.
Baseado no acima exposto, os instrumentos eletrodinâmicos compõem-se das bobinas fixa 1 e
móvel 2, conforme figura 7.1.
Figura 7.1 - instrumentos eletrodinâmicos
A bobina móvel possui elevado número de espiras de fio fino, estando dispostas ao redor ou no
interior da bobina fixa.
Sobre o eixo da bobina móvel encontra-se o ponteiro indicador.
Como via de regra, nestes instrumentos usa-se o sistema amortecedor pneumático.
Da mesma forma que em todos os instrumentos, seu sistema móvel equilibra-se mediante a
ajuda de pesas.
Para colocar o sistema móvel na posição zero, utiliza-se um sistema de correção simples.
As pesas e o sistema de correção não aparecem na figura 7.1.
56
Ao circular as correntes pelas bobinas fixa e móvel, está última deslocar-se-á, girando, com
relação a fixa, tendendo a que o sentido do seu campo magnético coincida com o a bobina fixa.
Com estes instrumentos podem ser utilizados como amperímetros, voltímetros ou wattímetros.
Com estes instrumentos pode-se medir correntes contínuas ou alternadas.
O emprego mais freqüente é para medição de potência em corrente alternada.
Nos aparelhos de precisão, evita-se o uso de todo material de ferro no interior do instrumento
para não termos erros por histerese ou correntes de Foucault.
As linhas de campo atravessam exclusivamente o ar, em virtude do qual os campos são
relativamente débeis e os momentos pequenos, figura 7.1.
Utiliza-se somente o amortecimento pneumático (figura 7.2) composto de uma aleta de alumínio
A muito leve, de forma retangular, que está unida por um braço ao eixo de giro B. A aleta desloca-se
no interior da câmara C.
Figura 7.2 - Amortecimento pneumático
57
VIII - INSTRUMENTO DE INDUÇÃO
8.1 Considerações gerais
Este instrumento se compõe de um corpo de ferro quadripolar, que possui dois pares de bobinas
cruzadas entre si. No circuito de corrente de um destes pares de bobinas, inclui-se uma indutância.
Disto resulta um deslocamento de fase entre os pares de bobinas e desta forma, a existência de um
campo girante.
Um tambor de alumínio, montado de tal modo que apresente um movimento giratório, fica sob
efeito indutivo deste campo girante.
As correntes induzidas neste tambor desenvolvem um conjugado e, com isto, uma deflexão do
ponteiro. A força contrária a esta deflexão é conseguida da ação das molas espirais. O amortecimento
do instrumento é feito por um imã, em forma de ferradura, cujo campo atua sobre o tambor girante.
Figura 8.1 - Instrumento de indução
O instrumento de indução, também chamado de instrumento de campo girante ou instrumento de
Ferraris, apenas pode ser usado para corrente alternada.
Devido à indutância, este instrumento sofre a influência da freqüência.
58
IX - INSTRUMENTO DE BOBINAS CRUZADAS
9.1 Considerações gerais
Entre os pólos de um imã permanente, duas bobinas interligadas entre si, porém cruzadas, estão
dispostas de tal forma que possam girar. Cada uma das bobinas é ligada `a determinada tensão. Por
esta razão, cada uma das bobinas influi com certa força magnética sobre o imã permanente.
Figura 9.1 - Instrumento de bobinas cruzadas
Se a tensão é igual em ambas as bobinas seus efeitos magnéticos contrários se equilibram, o
que significa que as bobinas se ajustam sobre um valor central (médio). Neste instrumento, portanto,
a posição zero não é obtida por meio da força de molas, mas sim pela existência de correntes iguais
em ambas as bobinas. Se cada uma das bobinas estiver ligada à tensão diferente, então apresentamse também campos magnéticos de intensidade diferente, do que resulta que o campo mais forte irá
determinar a deflexão do corpo da bobina. Disto se pode concluir que o instrumento de bobinas
cruzadas apenas se destina a indicar diferenças de tensões. Seu emprego é encontrado sobretudo na
medição de resistências, assim como na de temperaturas e pressões, à distância. para estas
finalidades as tensões correspondentes são enviadas ao instrumento por meio de um divisor de
tensão, que se altera em função da temperatura ou pressão.
59
X – INSTRUMENTO ELETROSTÁTICO
10.1 Considerações gerais
O funcionamento deste instrumento baseia-se na atração recíproca de corpos eletricamente
carregados, com polaridades contrárias. O instrumento se compõe de placas fixas e móveis, às quais
é ligada a tensão a ser medida. Sobre o eixo do disco móvel, é montado um ponteiro. Uma mola atua
no sentido contrário ao deslocamento deste. Instrumentos eletrostáticos se destinam especificamente
à medição de tensões elevadas, pois apenas estas são capazes de desenvolver um conjugado
suficientemente elevado. O instrumento pode ser usado tanto em corrente contínua, quanto em
corrente alternada.
Figura 10.1 – Instrumento Eletrostático
60
XI – VOLTÍMETROS
11.1 Considerações gerais
Os Voltímetros são instrumentos destinados a medir a tensão. Pode ser de bobina móvel, ferro
móvel ou eletrodinâmico.
A precisão dos voltímetros é tanto maior quanto maior a sua resistência interna. Assim, a
precisão de um instrumento de 100kV é menor do a de 1MV.
Sempre que usamos um voltímetro, devemos verificar se a escala escolhida é compatível com a
grandeza a ser medida. Por exemplo, se formos medir a tensão de aproximadamente 120 volts,
poderemos usar a escala de 0-150V, nunca uma escala menor, porque poderão ocorrer avarias no
instrumento. Caso não se saiba a ordem de grandeza da tensão a ser medida, deverá ser usada às
escalas mais altas.
Os voltímetros usuais medem tensões de até 500 a 600 volts (baixa tensão). Para se medir altas
tensões é necessário o uso de transformadores de potencial (TP), que transformam a alta tensão em
baixa tensão.
Para se efetuar a leitura da tensão, basta colocar os terminais do instrumento entre os dois
pontos do circuito e ler a grandeza na escala escolhida. As leituras mais precisas são aquelas
efetuadas no meio da escala. Abaixo apresentamos o aspecto físico de um voltímetro, o seu símbolo
e a maneira de como ligá-lo numa medição.
Figura 11.1 – Voltímetros
61
XII – AMPERÍMETROS
12.1 Considerações gerais
Os amperímetros são instrumentos destinados a medir correntes elétricas. Podem, a exemplo
dos voltímetros, ser dos tipos bobina móvel, ferro móvel e eletrodinâmicos. Ao contrário dos
voltímetros, os amperímetros são tanto mais precisos quanto menor for a sua resistência interna. A
sua ligação é sempre feita em série com o circuito a ser medido. Abaixo, vemos a fotografia de um
Amperímetro comumente usado e sua simbologia.
Figura 12.1 - Amperímetros
Antes de se usar o instrumento, deve-se escolher a escala adequada à grandeza da corrente a
medir, de modo que a leitura se efetue no meio da escala. Por exemplo, se a corrente a medir for da
ordem de 60 ampères, deve-se escolher a escala de 0-100A. Caso se desconheça a ordem de
grandeza da corrente a medir, deve-se escolher as escalas mais elevadas e, em seguida, trocar de
escala, efetuando-se a leitura na metade da escala escolhida.
Os amperímetros comuns têm escalas até 600 ou 800 ampères. Para leituras maiores, como é o
caso de instrumentos fixos em painéis, há necessidade de transformadores de corrente (TC) que
transformam valores elevados de corrente em valores pequenos (0-5A), as quais, conhecida a relação
de transformação do TC, permitem concluir a leitura real.
Na figura abaixo, vemos um tipo de amperímetro usado nos painéis de quadros elétricos.
Figura 12.2 – Amperímetros (2)
62
XIII – VOLT-AMPERÍMETRO TIPO ALICATE
13.1 Considerações gerais
Modernamente está muito difundido o uso de amperímetros portáteis do tipo ¨alicate¨, ou seja,
um instrumento que não precisa interromper o circuito par a ligação em série. Ele funciona usando o
principio da indução, ou seja, a corrente do condutor produz um campo magnético que induz f.e.m. no
circuito do instrumento, possibilitando a leitura em escalas convenientemente relacionadas com a
corrente a medir.
O volt-amperímetro tipo alicate apresenta os seguintes componentes básicos externos:
A
B
C
Gancho (secundário de um TC)
Gatilho (Para abrir gancho)
Parafuso de Ajuste
D
E
F
Visor da escala graduada
Terminais para medição de tensão
Botão seletor de escala
Figura 13.1 - Volt-amperímetro tipo alicate
63
O volt-amperímetro tipo alicate apresenta os seguintes componentes básicos internos:
A
B
C
D
Gancho (bobinado secundário do TC)
Retificador
Resistor Shunt para medições amperimétricas
Galvanômetros
E
F
G
Terminais
Seletor de escala
Resistor de amortecimento para medições voltimétricas
Figura 13.2 – Componentes básicos do volt-amperímetro tipo alicate
O principio de funcionamento do volt-amperímetro tipo alicate é do tipo bobina móvel com
retificador e é utilizado tanto para medições de tensão como de corrente elétrica.
Observações: Quando o volt-amperímetro tipo alicate é utilizado na medição de tensão elétrica,
ele funciona exatamente como um multiteste.
Na medição da corrente o gancho do instrumento deve abraçar um dos condutores do circuito em
que se deseja fazer a medição (seja no circuito trifásico como no circuito monofásico).
Figura 13.3 – Medição de corrente com volt-amperímetro tipo alicate
O condutor abraçado deve ficar o mais centralizado possível dentro do gancho
64
Figura 13.4 - Volt-amperímetro tipo alicate (2)
O condutor abraçado funciona como o primário do TC e induz a corrente no secundário (o próprio
gancho). Essa corrente secundaria é retificada e enviada ao galvanômetro do instrumento, cujo
ponteiro indicará, na escala graduada, o valor da corrente no condutor.
Os volt-amperimetros tipo alicate não apresentam uma boa resolução no inicio da sua escala
graduada, mesmo assim podem ser empregados nas correntes de baixos valores (menores que um
1A). Neste caso, deve-se passar o condutor duas ou mais vezes pelo gancho do instrumento.
Figura 13.5 - Volt-amperímetro tipo alicate (3)
Para sabermos o resultado da medição basta dividirmos o valor lido pelo numero de vezes que o
condutor estiver passando pelo gancho.
65
XIV – MEGÔHMETROS
14.1 Considerações
gerais
Os Megôhmetros são aparelhos destinados a medir altas resistências, daí serem usados para
teste de isolamento de redes, de motores, geradores, etc.
Figura 14.1 - Megôhmetros
O Megôhmetro não é indicado para se medir mau contato de emendas de fios, chaves ou
fusíveis, pois neste caso a resistência do circuito é muito pequena e o instrumento não teria precisão.
O Megôhmetro é um gerador de corrente contínua acionado por manivela, tendo uma escala e
dois bornes de ligação. Em aparelhos modernos a tensão do gerador é mantida constante, qualquer
que seja a rotação da manivela.
Na figura abaixo vemos a indicação de um Megôhmetro de 500 volts, permitindo leituras de até
50megohms. Este instrumento será indicado quando a instalação ou o equipamento a medir for de
baixa tensão. Quando a instalação ou equipamento trabalhar em alta tensão, usam-se Megôhmetros
de até 5000 volts com escala de 10000 megohms.
66
Figura 14.2 – Megôhmetros (2)
14.2 Como usar o Megôhmetro
Pode-se medir a resistência do isolamento entre condutores ou entre condutores e eletroduto.
Para isso, abrem-se os terminais do circuito em uma das extremidades, e na outra extremidade ligamse os bornes do megôhmetro, inicialmente entre os condutores e depois entre cada condutor e a
massa (eletroduto). Deste modo, constata-se qual a resistência de isolamento.
Figura 14.3 – Megôhmetros (3)
67
De acordo com a NBR 5410, a resistência de isolamento mínima é a seguinte:
2
•
Para fios de 1,5 e 2,5 mm – 1MΩ
•
Para fios de maior seção é baseada na corrente do circuito, conforme tabela abaixo:
Tabela 14.1 – Corrente do circuito X Resistência de isolamento
Corrente do circuito
De 25 a 50 A
De 51 a 100 A
De 101 a 200 A
De 201 a 400 A
De 401 a 800 A
Acima de 800 A
Resistência de isolamento
250.000 Ω
100.000 Ω
50.000 Ω
25.000 Ω
12.000 Ω
5.000 Ω
Vamos supor, por exemplo, que num circuito de 1,5 mm2, aplicando o megôhmetro entre cada
condutor e massa, achamos uma leitura de 0,2 megohms; isso significa problemas de isolamento no
circuito que devem ser sanados antes da ligação definitiva. Pode-se medir também a resistência de
isolamento entre os enrolamentos de um motor e a massa. Uma boa isolação é de 1.000 ohms para
cada volt de tensão a ser aplicada no circuito.
Figura 14.4 – Megôhmetros (4)
68
XV – MEDIDORES DE POTÊNCIA
15.1 Considerações gerais
Os medidores de potência elétrica são conhecidos como wattímetros, pois
sabemos que a
potência é expressa em watts por meio das fórmulas conhecidas:
P = U.I (corrente contínua)
P = U.I.cos (corrente alternada monofásica)
P = 1,73. U.I.cos (corrente alternada trifásica)
Onde: U: Tensão em volts;
I: Corrente em ampères;
cos ө: Fator de potência;
P: Potencia em Watts.
Assim, para que um instrumento possa medir a potencia de um circuito elétrico, será necessário
o emprego de duas bobinas: uma de corrente e outra de potencial.
A ação mútua dos campos magnéticos gerados pelas duas bobinas provoca o deslizamento de
um ponteiro em uma escala graduada em watts proporcional ao produto Volts x Ampères, conforme
figura abaixo. Note-se que a bobina de tensão ou de potencial está ligada em paralelo com o circuito,
e a bobina de corrente, em série.
Figura 15.1 – Medidores de potência
Os wattímetros só medem a potência ativa, ou seja, aquela que é dissipada em calor.
Conhecidas a potencia ativa P, a tensão U e a corrente I, podemos, determinar o fator de potência
(cos ө).
69
XVI – FREQÜENCÍMETROS
16.1 Considerações gerais
A medição da freqüência da corrente alternada pode efetuar-se por comparação com uma outra
freqüência conhecida e através de métodos denominados de ressonância
Os métodos comparativos são variados e de obtenção muito delicada, ficando restritos a
medições de laboratórios.
Os métodos de ressonância são usados na indústria e nas aplicações comuns, permitindo os
instrumentos deste tipo realizar leituras diretas.
16.2 Freqüencímetros Eletrodinâmicos
Os instrumentos eletrodinâmicos podem ser empregados para medir freqüência se os seus
circuitos forme executados eletricamente ressonantes.
Como regra geral possuem dois circuitos sintonizados: um deles em uma freqüência menor que
a mínima que pode indicar o instrumento, estando, o segundo circuito, em uma freqüência
ligeiramente superior à máxima.
Estes sistemas ressonantes podem ser combinados com sistemas eletrodinâmicos simples ou
com sistemas eletrodinâmicos de bobinas cruzadas.
Um Freqüencímetros do último tipo mencionado é apresentado na figura 16.1, instrumento que
funciona baseado no fato de que a corrente que circula através de uma reatância diminui ao aumentar
a freqüência, ao passo que aumenta ao circular por uma reatância capacitiva.
Figura 16.1 - Freqüencímetros Eletrodinâmicos
70
16.3 Freqüencímetros de Indução
Este instrumento é constituído por dois eletroímãs com núcleo de ferro laminado.
As expansões polares destes núcleos possuem espiras em curto-circuito que atuam como
enrolamento de partida, como se fosse um motor elétrico de indução.
Os campos alternados das correntes atravessam as espiras em curto-circuito como também o
disco, produzindo em cada eletroímã dois campos contíguos corridos em fase.
Cada campo criado tende a arrastar o disco em sentido contrário.
Na figura 16.2 o eletroímã está conectado à tensão da rede através de uma resistência R, e em
um domínio restrito de freqüência, sendo a intensidade da sua corrente praticamente proporcional à
tensão.
Figura 16.2 - Freqüencímetros de Indução
A bobina do eletroímã 2 está conectada à mesma tensão através de um circuito ressonante com
indutância L e capacitância.
Devido a localização excêntrica do eixo, ao girar o disco, varia a extensão afetada pelas corrente
de Foucault, mudando estas e modificando portanto os momentos de desvio.
Um dos momentos reduz-se aumentando o oposto.
O disco, que carece de momento diretor mecânico, permanece estacionário quando ambos são
iguais, mostrando assim, como medidor de quocientes, a relação entre as intensidades da corrente
nos eletroímãs.
Dado que a intensidade que atravessa 1 é proporcional à tensão e a que circula por 2 é
proporcional à tensão e à freqüência, a indicação do instrumento corresponde exclusivamente à
freqüência.
71
16.4 Freqüencímetros de lingüeta vibratória
Estes instrumentos baseiam-se em um princípio de ressonância mecânica.
A ressonância é um fenômeno físico verificado quando cessa a diferença entre os períodos dos
momentos vibratórios de um determinado corpo, o que lhe é próprio e o que ele recebe, isto é,
movimentos de vibrações forçadas cuja amplitude é máxima.
Assim, por um recurso qualquer, cria-se outro movimento oscilatório de igual freqüência,
denominando-se excitador ao primeiro sistema e ressonante ao segundo.
Uma lâmina de aço submetida à influência de um campo magnético alternado vibrará com
amplitude máxima quando a freqüência do campo magnético coincida com a freqüência própria da
ressonância da lingüeta.
Baseado nesse principio constroem-se Freqüencímetros denominados de lingüeta vibratória
como pode-se observar externamente na figura 16.3, para um aparelho de 50 a 60Hz, consumo
próprio de 8 a 10mA, para uma tensão de 110, 220, 380 e 440V e classe de precisão de 0,3% do
valor real.
Figura 16.3 - Freqüencímetros de lingüeta vibratória
O instrumento constitui-se por uma determinada quantidade de lingüetas de aço de 2 a 5mm de
largura, de o,1 a 0,4mm de espessura e de 20 a 60mm de comprimento.
Estas lingüetas possuem as extremidades anteriores dobradas e de cor branca, ajustando-se
mecanicamente para que possuam diferentes freqüências de oscilação própria, dispondo-se uma ao
lado da outra.
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Se são excitadas mediante um campo alternado de um eletroímã, por ressonância, oscilará com
a máxima intensidade a lingüeta, cuja freqüência própria coincida com a da corrente excitante.
As lingüetas vizinhas oscilam também, mais ou menos, de maneira que, segundo seja o aspecto
da oscilação do conjunto, permite realizar uma leitura direta ou tomar um valor médio, figura 16.4
Figura 16.4 - Freqüencímetros de lingüeta vibratória (2)
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XVII – TERROMETROS
17.1 Considerações gerais
O Terrômetro mede a resistência de sistemas de aterramento formados por estacas ou malhas
pequenas por medição da resistência de um laço de terra aproveitando a presença de aterramentos
vizinhos, sem a necessidade de utilizar estacas auxiliares próprias e sem desconectar o aterramento
sob teste.
Este instrumento é especialmente indicado para medir a resistência própria de um determinado
eletrodo que faz parte de um sistema de aterramento complexo. Também permite detectar
rapidamente a existência de conexões inadequadas e contatos de má qualidade.
Figura 17.1 – Terrometro Digital
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17.2 Eletrodo de aterramento
Segundo a NBR 5410:2004, um eletrodo de aterramento pode ser constituído preferencialmente
das próprias armaduras embutidas no concreto das fundações, isso nos garante considerar que as
interligações sejam suficientes para garantir um bom aterramento com características elétricas
suficientes para dispensar qualquer outro tipo de aterramento suplementar, isto é, a tradicional haste
de aterramento.
O tipo de eletrodo a ser utilizado em uma edificação depende da resistência do solo, podendo ser
utilizada a própria fundação, haste de cobre, malha ou até mesmo chapa de cobre. Sendo assim cada
caso deve ser analisado individualmente, observando que a resistência obrigatoriamente deve ser de
no máximo 10 Ohms (verificada com o Terrômetro).
O aterramento em uma instalação tem, como finalidade de dissipar no solo a corrente de fuga,
sem provocar tensões de passo perigosas e mantendo baixa a queda de tensão na resistência de
terra. Os condutores de um sistema de terra são denominados eletrodos e podem ser introduzida nas
posições VERTICAL, HORIZONTAL ou INCLINADA.
A resistência característica do solo, é que vai determinar sua resistividade que pode ser definida
como a resistência entre faces opostas de um cubo de aresta unitária construído com material retirado
do local ou pode-se medir com instrumento chamado TERRÔMETRO (Método de Wenner) com 4
terminais (duas de corrente e duas de tensão), separadas eqüidistantes uns dos outros.
Figura 17.2 – Terrometro Analógico
Quando a distância a for pequena, a resistividade corresponde às primeiras camadas do terreno,
à medida que a distância entre as hastes vai sendo aumentada, vão sendo incluídas as camadas
inferiores, para efeito de padronização são utilizadas distâncias de 2, 4, 8, 16, 32, 64 e 128 metros e
são realizadas medições em varias direções no terreno.
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17.3 Cuidados na medição
Quando conectar os cabos assegure-se de que eles estejam separados. Caso a medição seja
realizada com os cabos trançados ou encostados uns aos outros, a leitura da medição poderá ser
afetada devido a tensão indutiva.
Se a resistência das estacas auxiliares for muito alta, a precisão das medidas será afetada.
Assegure-se de que as estacas estão fixas em uma região úmida. Também assegure-se de que as
conexões estão corretas.
Caso o valor medido seja superior a 10 ohms, deve-se tentar redução por um dos métodos a
seguir.
Para se reduzir a resistência de terra usa-se um dos seguintes métodos, a saber:
•
Hastes profundas: Existem no mercado, hastes que podem ser prolongadas por buchas
de união; o instalador vai cravando as secções através de um martelete e medindo a
resistência até chegar ao valor desejado. Alem do efeito do comprimento da haste temse uma redução da resistência pela maior umidade do solo nas camadas mais
profundas, sendo que não devem ultrapassar a 18 mts de profundidade, pois causariam
indutância elevada.
•
Sal para melhorar a condutividade do solo: Este método permite obter resistências mais
baixas; o inconveniente é que o sal (normalmente o Nacl) se dissolve com a água da
chuva e o tratamento que ser renovado a cada 2 ou 3 anos ou ainda menos dependendo
do tipo de terreno.
•
Tratamento Químico: neste método o eletrodo é mantido úmido por um GEL que absorve
água durante o período de chuva e a perde lentamente no período de seca, deve-se
tomar cuidado no uso deste método com o uso de hastes de aço galvanizado devido o
ataque corrosivo, no Brasil é conhecido pelo nome do Fabricante + gel. Ex: Aterragel,
Ericogel, Laborgel etc.
•
Uso de eletrodos em paralelo: quando os eletrodos são verticais pode-se colocar hastes
a uma distancia no mínimo igual ao comprimento, em disposição triangular, retilínea,
quadrangular ou circular. A distancia mínima esta relacionada com a interferência entre o
mesmo e sua redução.
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17.4 Conclusões e recomendações
O tipo de eletrodo a ser utilizado em uma edificação depende da resistência do solo, podendo ser
utilizada a própria fundação, haste de cobre, malha ou até mesmo chapa de cobre. Sendo assim cada
caso deve ser analisado individualmente, observando que a resistência obrigatoriamente deve ser de
no máximo 10 Ohms (verificada com o Terrômetro).
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BIBLIOGRAFIA
ROLDAN, José - Manual de Medidas Elétricas – Editora Hemus
TORREIRA, Eng. Raul Peragallo – Instrumentos de Medição Elétrica – Editora Hemus – 3a Edição
CREDER, Hélio – Manual do Instalador Eletricista – Editora LTC – 2a Edição
FONSECA, Alex – APOSTILA DE ELETRICIDADE – Departamento de Engenharia Química – Faculdade de
Ciências Humanas de Aracruz.
Catálogo Técnico – Instrumentos de Medição - MINIPA
BRONGAR. Francisco Carlos e MEDINA Ricardo Luiz Rilho – Apostila de Medidas Elétricas – CEFET-RS
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