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INSTRUMENTAÇÃO
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CONCEITOSDEFINIÇÃO DE MEDIDA:Medida
é um processo de
comparação entre medidas de mesma
espécie, ou
seja, que possuem um padrão único e comum entre
elas.
Duas grandezas de mesma espécie possuem a mesma
dimensão.
SISTEMAS DE
UNIDADESNo processo de medida, a grandeza que serve de comparação é denominada de grandeza unitária ou padrão unitário. As grandezas físicas são englobadas em duas categorias: a) Grandezas Fundamentais (comprimento, massa, tempo) b) Grandezas Derivadas (velocidade, potência, aceleração) É
um
conjunto de
definições que reune de forma completa, coerente
e
concisa todas as grandezas físicas fundamentais e derivadas.
Ao
longo dos anos, os cientístas tentaram estabelecer sistemas
de
unidades universais como por exemplo CGS (centímetro, grama
e
segundo), MKS (metro, kilograma e segundo), SI (Sistema Internacional
de Medidas).
tópicosSISTEMA INTERNACIONAL (SI) É derivado do MKS e foi adotado internacionalmente a partir dos anos 60. É o padrao mais utilizado no mundo, mesmo que alguns paises ainda adotem algumas dos sistemas procedentes. A tecnologia moderna exige que as avaliações das grandezas que tomam parte nos fenômenos físicos sejam feitas com precisão e exatidão cada vez maiores. Na engenharia elétrica, a medida de certas grandezas é de fundamental importância tanto na pesquisa, quanto na monitoração, funcionamento seguro, proteção e controle de equipamentos eletroeletrônicos e redes elétricas. Um dos objetivos desta disciplina é fornecer noções básicas para as medições elétricas, estudando os instrumentos mais comumente empregados nestas medições. A disciplina tem como finalidade capacitar o aluno para solucionar os problemas básicos das medições elétricas. • O que medir; • Com que medir; • Como avaliar a medição. Na medição elétrica as grandezas fundamentais são: • Corrente; • Tensão; • Freqüência; • Potência. Além disso, existem outras grandezas que podem ser medidas, tais como: • Resistência; • Capacitância; • Indutância; • Fator de potência; • Energia. Os instrumentos normalmente utilizados na medição elétrica são do tipo: • Bobina móvel (A, V, Ω); • Ferro móvel (A, V); • Eletrodinâmicos (W, A, V, cos φ); • Lâminas vibratórias (Hz); • Indução (kΩ); • Eletrostáticos (V); • Eletrônicos (A, V, Hz). O conhecimento sobre as grandezas a serem medidas é de fundamental importância nas tarefas práticas do curso de Engenharia Elétrica. Por isso, nesta aula serão vistos alguns conceitos importantes referentes às principais grandezas elétricas. ERROS EM MEDIDAS Algumas definições importantes: Erro: É o desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como verdadeiro). Valor verdadeiro: É o valor exato da medida de uma grandeza obtido quando nenhum tipo de erro incide na medição. Na prática é impossível eliminar todos os erros e obter um valor aceito como verdadeiro. Utiliza-se uma medida de uma amostra de um determinado número de medidas técnicas, usando o mesmo material e mantendo-se as mesmas condições ambientais, usando então este valor como verdadeiro. Exatidão: É a característica de um instrumento de medida que exprime o afastamento entre a medida nele observada e o valor de referência aceito como verdadeiro. Precisão: Refere-se a maior ou menor aproximação da medida em termos de casas decimais. A precisão, portanto, revela o rigor com que um instrumento de medida indica o valor de uma certa grandeza. Classe de exatidão: É o limite de erro, garantido pelo fabricante de um instrumento, que se pode cometer em qualquer medida efetuada pelo mesmo, ou seja, é uma classificação do instrumento de medida para designar a sua exatidão. O número que a designa chama-se índice de classe. Índice de classe (IC): Número que designa a classe de exatidão, o qual deve ser tomado como uma porcentagem do valor de plena escala de um instrumento. Escala de um instrumento: É o intervalo de valores que um instrumento pode medir. Normalmente vai de zero a um valor máximo que se denomina calibre ou valor de plena escala. Valor de plena escala: É o máximo valor da grandeza que um instrumento pode medir. Erro absoluto (δX): É a diferença algébrica entre o valor medido (Xm) e o valor aceito como verdadeiro (Xv). Assim, pode-se dizer que o valor verdadeiro situa-se entre: X −δ X < X < X +δ X Neste caso, δX é o limite máximo do erro absoluto ou simplesmente erro absoluto. Assim, diz-se que: • Se X>Xv, o erro é por excesso; • Se X<Xv, o erro é por falta. Erro relativo (ε): É definido como a relação entre o erro absoluto (δX) e valor aceito como verdadeiro (Xv) de uma grandeza, podendo ou não ser expresso em percentual. ε = δX / Xv ou ε % = (δX / Xv).100 Para efeito de cálculo do erro relativo, pode-se considerar Xv =Xm, logo: ε = δX / Xm CLASSIFICAÇÃO DOS ERROS: Grosseiros: São frutos da pouca prática e de descuidos do experimentador em leituras, cálculos e manuseio do material. Erros grosseiros afetam significativamente a acurácia de qualquer aplicação que use dados medidos. Portanto, eles devem ser detectados e removidos usando-se técnicas de filtragem ou controle estatístico. Sistemáticos: Ocorrem sempre num mesmo sentido. Podem ser devido ao experimentador, como atraso (ou antecipação) ao acionar um cronômetro; a um erro de paralaxe ou erro de calibração. Acidentais, aleatórios ou residuais: Decorrem de fatores imprevisíveis, e são compensados pela teoria dos erros. PADRÕES Todas as medições realizadas na prática são feitas através de instrumentos de medição que foram previamente calibrados por comparação com outros instrumentos de medidas, denominados padrões de medidas. Padrão É um instrumento de medida destinado a definir, conservar ou reproduzir a unidade base de medida de uma grandeza. Os padrões podem reproduzir a unidade base de medida, bem como seus múltiplos e submúltiplos. Padrão primário: É como se denomina o padrão que possui as mais elevadas qualidades de reprodução de uma unidade de medida de uma grandeza. Os padrões primários nunca são utilizados diretamente para medições, a não ser na geração de padrões secundários. São conservados em condições especiais de ambiente nos laboratórios nacionais. Padrão secundário ou padrão de trabalho: É um intermediário entre os padrões primários que viabiliza a distribuição das referências de medidas para os laboratórios secundários, onde são utilizados para aferição dos instrumentos de medidas. A principal característica deste padrão é a permanência, que é a capacidade do mesmo em conservar a classe de exatidão por maior espaço de tempo, dentro de condições especificadas de utilização. Qualidades exigidas de um padrão: • Ser constante; • Ser de alta precisão; • Ser consistente com a definição da unidade correspondente. Não existe padrão permanente. O que existe são padrões com elevado grau de permanência. Calibração e manutenção de padrões: A calibração de padrões é feita regularmente através de laboratórios nacionais, comparando-os com os padrões definidos como primários para uma grandeza especificada. Esta comparação também é chamada aferição. O processo de aferição permite a criação de padrões secundários, que poderão servir de padrões intermediários ou de transferência. NOTAÇÃO DE MEDIDAS Notação O resultado de uma medida (X) é constituído por três itens, a saber: • Um número representado por x; • Uma unidade representada por u; • Uma indicação da confiabilidade, indicada pelo erro provável (Δx). Desta forma tem-se: X = (x ± Δx) u Antes da unidade de medida deve haver um caractere de espaço, e esta pode vir com um prefixo. Os principais prefixos e seus respectivos multiplicadores estão representados na tabela abaixo: Prefixos Multiplicadores Nome Símbolo Multiplicador giga................ G 109 = ................1 000 000 000 mega.............. M 106 =.......................1 000 000 quilo................k 10³ = ............................. 1 000 mili................ m 10-3 = .................................. 0,001 micro............ μ 10-6 = .................................. 0,000 001 nano.............. n 10-9 = .................................. 0,000 000 001 pico...............p 10-12 =.................................. 0,000 000 000 001 Maiores informações podem ser obtidas no documento “Unidades Legais de Medidas” do Inmetro. ALGARISMOS SIGNIFICATIVOS Os resultados de uma medida devem ser representados com apenas os algarismos de que se tem certeza mais um único algarismo duvidoso. CRITÉRIOS DE ARREDODAMENTOS Ao realizar operações com medidas realizadas em diferentes instrumentos, que possuem diferentes números de algarismos significativos, exprime-se o resultado final com apenas um algarismo duvidoso, isto é, mantém-se o menor número de algarismos significativos. Durante as operações, podem-se expressar os resultados intermediários com todos os algarismos possíveis, a fim de diminuir o erro devido aos arredondamentos. Apenas no final é que se arredonda o resultado para preservar um algarismo duvidoso. A regra a ser seguida é: • Quantidade após o algarismo duvidoso maior que 5, 500, etc. → arredondase o algarismo duvidoso para mais; • Quantidade após o algarismo duvidoso menor que 5, 500, etc. → arredondase o algarismo duvidoso para menos; • Quantidade após o algarismo duvidoso igual a 5, 500, etc. → torna-se o algarismo duvidoso par. INSTRUMENTOS ELÉTRICOS DE MEDIÇÃO Instrumentos Elétricos de Medição Analógicos.  Os instrumentos empregados na medição das grandezas elétricas apresentam um conjunto móvel que é deslocado aproveitando um dos efeitos da corrente elétrica: efeito térmico, efeito magnético, efeito dinâmico, etc. Preso a um conjunto móvel, está um ponteiro que se desloca na frente de uma escala graduada de valores da grandeza que o instrumento é destinado a medir (galvanômetro). A leitura é feita através do deslocamento angular do ponteiro, podendo ocorrer, durante este processo, erros grosseiros por parte do experimentador como o engano na leitura. Além disso, a utilização do multímetro analógico pode apresentar leituras imprecisas devido a erros de calibração dos instrumentos. Uma grande vantagem dos aparelhos analógicos é não depender de uma fonte interna para realizar medidas de corrente ou tensão. A precisão típica de um multímetro analógico é de ± 2% ou ± 3% da escala total. Durante a medição da corrente elétrica é necessário um manuseio cauteloso já que a mudança de escala do equipamento deve ser realizada sem que por ele circule corrente, pois se a chave desconectar os resistores ligados em paralelo com o resistor interno (shunt), toda a corrente circulará pelo galvanômetro, danificando-o. Os instrumentos mais utilizados são os instrumentos de bobina móvel ou Galvanômetro de D'Arsonval e imã permanente (BMIP), os de ferro móvel (FM).  As principais partes deste instrumento estão descritas a seguir: • Imã permanente de peças polares cilíndricas; • Núcleo cilíndrico de ferro doce, com a finalidade de tornar radiais as linhas de fluxo magnético; • Quadro retangular de metal condutor, em geral feito de alumínio, com a finalidade de servir de suporte à bobina e produzir amortecimento por corrente de Foucault (corrente parasita); • Bobina de fio de cobre, enrolada sobre o quadro de alumínio, por onde circulará a corrente a medir. Quando um condutor é percorrido por uma corrente I, na presença de um campo magnético (B), fica submetido a uma força F cujo sentido é dado pela regra da mão direita. Assim a corrente I a medir, ao percorrer a bobina “b” vai dar origem às forças F e o descolamento do ponteiro será proporcional à corrente a ser medida. Esses instrumentos não são adequados para medir correntes que variam rapidamente no tempo, mais propícios então para medir sinais contínuos.  Instrumentos de Ferro Móvel (FM) Os instrumentos de ferro móvel são também conhecidos como instrumentos ferromagnéticos ou eletromagnéticos. O seu princípio de funcionamento é baseado na ação do campo magnético, criado pela corrente a medir percorrendo uma bobina fixa, sobre uma peça de ferro doce móvel. Existem dois tipos de instrumentos básicos de ferro móvel: • Instrumento de “atração” ou de “núcleo mergulhador”; • Instrumento de “repulsão” ou de “palheta móvel”. A figura 3 a seguir mostra as partes essenciais do instrumento. A corrente I circulando pela bobina fixa, faz surgir um campo magnético que atrai o núcleo de ferro doce, dando uma leitura proporcional a corrente circulante.  Instrumentos Elétricos de Medição Digitais  DADOS DO LCD Display 3 3/4 dígitos 4000 Counts Os dados acima que comumente vem especificando os multímetros digitais, o que significa?: Imagina uma especificação do tipo "DISPLAY X Y/Z" Significa que: O último número do display é "Y", acompanhado de mais "X" números que podem variar de 0 a 9, daí como podemos observar pela figura, o multímetro de diplay 3 3/4 dígitos 4000 Contagens temos que ele conta de 0000 até 3999, onde 3 representa o último número "Y" e, 999 representa o número (X) que é a quantidade de diplay após o primeiro número "Y". (cada diplay pode contar de 0 a 9). Desta forma, o maior número que poderá aparecer no display do aparelho acima é 3999. Até a última década, as medidas de tensão eram realizadas com aparelhos de medida com agulha, bobina e ferro móvel, como visto anteriormente. Hoje, em todas as aplicações foram ou estão sendo substituídas por multímetros digitais. Vantagens dos Multímetros Digitais Sobre os Analógicos é: A sua facilidade de utilização, de fato, o valor medido é diretamente apresentado como uma série de dígitos facilmente legíveis, o que permite sempre a mesma interpretação, independente do observador (não há paralaxe). Além disso, alguns multímetros possuem posicionamento automático da vírgula, detecção automática da polaridade e até mesmo busca e mudança automática da escala de medida. A mudança automática de escala é importante na medida em que permite ao multímetro realizar medições sempre com a resolução otimizada, sem a intervenção do operador, quaisquer que forem as circunstâncias. Devido à própria natureza do processo utilizado na conversão do sinal para leitura, a precisão dos multímetros digitais pode ser muito superior à dos analógicos, e também têm uma grande vantagem sobre os analógicos: apresentarem uma grande resistência de entrada (108 a 1012Ω). Este fato permite praticamente eliminar a influência do aparelho de medida no valor obtido na medição. Uma propriedade dos multímetros digitais é o fato de só medirem tensões de forma direta (os analógicos medem correntes de forma direta). Um voltímetro digital, na sua forma mais simples, reduz-se a um circuito integrado que inclui um conversor do tipo AD (Analógico→Digital), uma alimentação de baixa tensão (bateria) e um visor de cristal líquido (LCD). O elemento principal do multímetro é o conversor AD, que converte a tensão do sinal analógico de entrada em pulsos regulares de amplitude fixa que podem ser contados e cujo número é proporcional ao valor da tensão. É esta contagem que será convertida em caracteres alfanuméricos e apresentada no visor. Um multímetro, como o nome indica, também mede outros sinais correspondentes a correntes contínuas ou alternadas, resistência, continuidade de um circuito, ganho de transistores, etc PRINCIPAIS GRANDEZAS ELÉTRICAS MEDIDAS POR UM MULTÍMETRO 
Clique sobre a figura acima e visite o site do fabricante. CORRENTE ELÉTRICA (DCA - Amperímetro de Corrente Contínua) A corrente elétrica é originada a partir do movimento das cargas elétricas. É, portanto, o fluxo de cargas por unidade de tempo. Representa-se a corrente elétrica pelas letras I, i ou i(t). A letra maiúscula denota variáveis contínuas, que não variam no tempo. Variáveis dependentes do tempo são denotadas por letras minúsculas ou por funções de t. Usa-se o formato itálico para diferenciar variáveis do texto normal. A unidade de medida de corrente elétrica é o ampère (A). Normalmente se utiliza os prefixos múltiplicadore da unidade base (tabela 1): microampère (μA), miliampère (mA), quiloampère (kA), etc. TENSÃO (DCV voltímetro corrente contínua e ACV voltímetro corrente alternada) A tensão elétrica está relacionada com a energia necessária para o deslocamento de cargas elétricas. Também conhecida por diferença de potencial. É representada pelas letras V, v ou v(t). A unidade de medida de tensão elétrica é o volt (V): quilovolt(kV), milivolt(mV), etc. RESISTÊNCIA (Ω ohmímetro) Resistência elétrica é a oposição dos materiais à passagem da corrente elétrica, ou mais precisamente, ao movimento de cargas elétricas. O elemento ideal usado como modelo para este comportamento é o resistor. Representa-se a resistência pela letra R. A unidade de medida de resistência é o ohm (Ω), mas é muito freqüente o uso de múltiplos como o quilohm (kΩ) e o megaohm (MΩ) e submúltiplos como o miliohm (mΩ) e microhm (μΩ). POTÊNCIA A potência fornecida ou recebida por um elemento é igual ao produto da tensão entre os terminais do elemento pela corrente que o atravessa. Representa-se a potência pela letra P e sua unidade de medida é o watt (W). Em sistemas de energia elétrica (geração, transmissão, distribuição) é mais comum se trabalhar com múltiplos do watt como o quilowatt (kW), o megawatt (MW) e o gigawatt (GW). Já em aplicações eletrônicas, o consumo instantâneo de potência normalmente é representado pelos submúltiplos miliwatt (mW) e microwatt (μW). VOLTÍMETROTENSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA. Quando seletamos um multímetro em DCV, é porque estamos querendo utilizá-lo como VOLTÍMETRO PARA MEDIR TENSÃO EM FONTES DE CORRENTE CONTÍNUA, ou seja, uma fonte que tem pólos (+ e -). Como exemplos dessas fontes temos: Bateria automotiva, Pilhas, Retitificadores de tensão, Saída das Fontes de Computador, Eliminadores de Pilhas, e etc... Como procedimento, devemos sempre ligar no pólo positivo da fonte, o pólo positivo do aparelho (VΩ) e ligar no pólo negativo da fonte o pólo negativo do aparelho (COM). Caso não tenhos idéia da grandeza da tensão a ser medida, sempre devemos colocar o aparelho na maior escala. LEITURA DA ESCALA 200 m: Nesta escala podemos ler até 200 mV. 2: Nesta escala podemos ler até 2V. 20: Nesta escala podemos ler até 20V. 200: Nesta escala podemos ler até 200 V. 1000: Nesta escala podemos ler até 1000 V. Para lermos uma tensão em fonte DC de 9V, 12V, devemos seletar na escala de "20". Para lermos uma tensão em fonte DC de 1,5V devemos seletar na escala de "2". Surge então uma pergunta. "Podemos medir 9V em escala maior que 20?" A resposta é "sim", mas a leitura não derá tanta precisão quanto teria na escala de 20. Quanto mais próximo a escala do aparelho estiver da grandeza a ser medida, maior será a precisão na leitura. O voltímetro é aparelho que tem a maior resistência interna, portanto é deve sempre ser ligado em PARALELO e nunca em SÉRIE, sob pena de abrir o circuito devido ao alto valor de sua resistência interna. Os voltímetros digitais, na realidade não se importam com a inversão das polaridades, eles medem as grandezas e indicam através de um sinal no display que a polaridade está trocada, através das indicações (MINUS ou -) que aparece a esquerda do módulo. Quando o diplay ficar PISCANDO, é que a escala escolhida está abaixo do valor real, para tanto, devemos apenas seletá-lo no valor acima. NUNCA troque de escala como o aparelho energizado. TENSÃO EM CORRENTE ALTERNADA  Quando seletamos em ACV que porque estamos querendo medir tensão em CORRENTE ALTERNADA., como por exemplo: Tomada de energia elétrica residencial Saída de um transformador Quadro de luz, etc.. Fontes de Corrente Alternada não tem polaridade, desta forma não precisa se preocupar com a polaridade do aparelho. Um cuidado que devemos de ter, é com relação a escala, quando não temos ideia do nível de tensão a ser medido, devemos sempre inicialmente colocarmos na maior escala. ESCALA ACV 200 mede tensão de até 200 V 750 mede tensão de até 750 V Quando o diplay ficar PISCANDO, é que a escala escolhida está abaixo do valor real, para tanto, devemos apenas seletá-lo no valor acima. NUNCA troque de escala como o aparelho energizado. AMPERÍMETRO Para utilizarmos o multímetro como amperímetro, devemos seletá-lo em DCA, no entanto devemos tomar algumas precausões como: O amperímetro é o aparelho que tem a menor resistência interna, (a resistência ideal é zero), O amperímetro deve sempre ser ligado em série com o componente que se quer medir a corrente elétrica, O amperímetro que vem nos multímetros, medem apenas correntes elétricas de fonte de CORRENTE CONTÍNUA, desta forma, NÃO medem CORRENTE ALTERNADA. Se ligarmos o amperímetro em PARALELO como ligamos o Voltímetro, estamos provocando no circuito um CURTO-CIRCUITO e com isso corremos o risco de nos acidentarmos e de danificar o aparelho. ESCALA DO AMPERÍMETRO 200 µ mede até 200 microamperes 2m mede até 2 miliamperes 20m mede até 20 miliamperes 200m mede até 200 miliamperes Observe que o multímetro tem duas entradas para medir corrente elétrica (mA e 10A), essas entradas correspondem ao PÓLO POSITIVO do amperímetro e a entrada (COM) corresponde ao pólo NEGATIVO do amperímetro. No amperímetro também devemos obedecer a polaridade da fonte com a polaridade do aparelho, vide figura acima. Se quisermos medir correntes maiores que 200 miliamperes, devemos conectar o cabo vermelho na entrada de 10A, nesta entrada podemos medir correntes elétricas de no máximo 10 A. Quando o diplay ficar PISCANDO, é que a escala escolhida está abaixo do valor real, para tanto, devemos apenas seletá-lo no valor acima. NUNCA troque de escala como o aparelho energizado. OHMÍMETRO
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| Professor e Engº Eletricista Moisés Carneiro da Silva - CREA-DF 8219/D - (61) 9551- 4466 | ||
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