Aula 4 - II - Instrumentos para medição eletrônica

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Instrumentos para medição eletrônica UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL – DEM1017

Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr. 27 de agosto de 2019

Instrumentos Analógicos e Digitais

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Instrumentos Analógicos

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Eletrodinâmico Bobina Móvel

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Eletrodinâmico Bobina Móvel • Quando uma corrente elétrica é aplicada na bobina (condutor) tem-se a interação entre essa corrente e o campo magnético gerado pelo imã. • Mudando-se a polaridade da corrente, muda o sentido do movimento do ponteiro • O instrumento lê valor médio (numa rede CA senoidal o resultado é zero), portanto serve para medir sinais contínuos no tempo. • O que acontece ao medir CA com este galvanômetro?

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Eletrodinâmico Ferro Móvel

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Eletrodinâmico Ferro Móvel • Muito utilizados como instrumentos de painel. • Duas barras de ferro adjacentes são magnetizadas (através da corrente em uma bobina na qual as barras estão inseridas) de maneira uniforme, surge uma força de repulsão entre ambas uma vez que as duas adquirem a mesma polarização magnética. Faz-se uma barra fixa e a outra móvel, adaptando-se um ponteiro na barra móvel. • Esse tipo de instrumento pode ler tensão ou corrente contínua e alternada. • Deflexão do ponteiro é proporcional ao quadrado da corrente; assim, esse tipo de instrumento mede valor RMS, também chamado de valor eficaz. Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Simbologia

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Simbologia

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Simbologia

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Simbologia

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Exemplos

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Instrumentos Básicos de Medição Denominam-se básicos os instrumentos destinados à medida das grandezas elétricas básicas: corrente, tensão, potência e energia. Outras grandezas elétricas – como resistência e capacitância - podem ser determinadas a partir de adaptações feitas nesses medidores básicos. A seguir serão introduzidos os instrumentos básicos destinados à medição de corrente e tensão. Os demais serão discutidos em aula futura.

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Medição em Corrente Contínua São definidos como sinais de corrente contínua, aqueles em que a corrente flui sempre no mesmo sentido em todo e qualquer instante. Em corrente contínua os circuitos comportam-se como resistores, fontes de corrente e fontes de tensão, pois em regime permanente, as capacitâncias e indutâncias não se manifestam a não ser como circuitos abertos ou curtocircuitos. Os principais instrumentos empregados em medição e análise em corrente contínua são: • Voltímetros; • Amperímetros; • Ohmímetros; • Watímetros. Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Voltímetro Classificados em: • Voltímetros Analógicos; • Voltímetros Digitais. O elemento central de um voltímetro analógico é um transdutor correntedeslocamento angular (galvanômetro), conforme descrito anteriormente. Uma vez determinadas as características do elemento indicador, o projeto de um voltímetro fica resumido ao cálculo dos resistores para a conversão tensão de entrada do voltímetro – corrente de entrada do indicador. Com o auxílio de um resistor inserido em série com o voltímetro é possível obter-se leituras superiores ao fundo de escala do instrumento (divisor de tensão). Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Voltímetro (Multiplicação de Escala) Desta forma, caso o voltímetro deva ser utilizado para uma faixa de medição n vezes superior a existente (fator de amplificação n), então uma parte da tensão será nele aplicada e (n-1) partes na resistência. Resistência série (Rs) deve ser:

Rs  ( n  1) Rv

Rv - Resistência interna do voltímetro.

Voltímetros com múltiplas escalas

podem

ser

então

facilmente projetados.

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Voltímetro (Multiplicação de Escala) Exemplo 1: Em um elemento indicador onde a corrente necessária para a indicação máxima de escala é 1mA e a resistência interna da bobina é 100Ω, determinar os resistores para a obtenção de um voltímetro com entradas de 1, 10 e 100V.

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Voltímetro (Multiplicação de Escala) Exemplo 1: Em um elemento indicador onde a corrente necessária para a indicação máxima de escala é 1mA e a resistência interna da bobina é 100Ω, determinar os resistores para a obtenção de um voltímetro com entradas de 1, 10 e 100V.

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Voltímetro Voltímetro Digital: Os voltímetros digitais vem substituindo os voltímetros analógicos nas mais diversas aplicações, levando vantagem principalmente na eliminação do fator subjetivo na leitura. O mecanismo d’Arsoval dá lugar a um circuito conversor analógico-digital (A/D), um decodificador e um mostrador digital. Geralmente um amplificador eletrônico também é utilizado para aumentar a resistência de entrada do instrumento.

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Voltímetro Características e aplicações: Alta resistência de entrada: na medição de tensão a resistência de entrada do instrumento é associada em paralelo com a resistência do elemento medido, resultando em um valor menor que o original. Essa redução é chamado de efeito de carga. Em um voltímetro ideal, com resistência de entrada infinita, o efeito de carga é nulo. Quanto menor a resistência de entrada do voltímetro, maior o efeito de carga e maior o erro correspondente na medida. Exemplo 2: Seja um circuito composto de uma associação série de três resistores de 90 kΩ, 20 kΩ e 10 kΩ submetido a uma tensão de 3 V. Qual o resultado da medida da tensão sobre o resistor de 10 kΩ? a) Utilizando um voltímetro com 10 kΩ de resistência de entrada? b) Utilizando um voltímetro de 100 kΩ de resistência de entrada?

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Voltímetro Utilizado para medição de tensões. Ele deve ser ligado em paralelo com o elemento cuja tensão deseja-se determinar. .

A medida será ideal se o instrumento tiver resistência interna infinita, isto é, se ele constituir um circuito aberto entre os pontos do circuito em que se encontra instalado, pois somente nesta condição é que as correntes e tensões do circuito não serão alteradas pelo instrumento.

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Voltímetro (Precauções) • 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, deverão ser usadas as 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. • Na medição analógica, a inversão na conexão do instrumento ocasiona a inversão do sentido de deslocamento do ponteiro. Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Amperímetro Amperímetros cc analógicos: Os amperímetros analógicos de corrente contínua, tem construção muito semelhante aos voltímetros cc, isto é, seu projeto geralmente baseia-se em um mecanismo d’Arsoval, possuindo um conjunto de resistores para adequação da amplitude de corrente de entrada do instrumento aos valores permitidos no indicador, sendo chamados de resistores shunt ou derivadores. Os resistores utilizados no divisor de corrente do amperímetro devem possuir como características: • Baixa resistência elétrica; • Coeficiente de temperatura reduzida; • Geralmente são constituídos de ligas metálicas como constantan ou manganina, que são materiais com boa estabilidade térmica.

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Amperímetro Dadas as características do indicador de bobina móvel (resistência interna da bobina e corrente de escala máxima), o resistor para cada escala selecionada pode ser calculado conforme:

IB R  RB IR

I R .R  I B . R B

I R  I in  I B

Onde: IR – corrente no resistor shunt; IB – corrente na bobina do indicador Iin – corrente na entrada do amperímetro R – resistência do derivador RB – resistência da bobina

R  RB

IB ( I in  I B )

Exemplo 3: Calcule a resistência de um derivador para construção de um amperímetro de 10ª com um indicador de bobina móvel com resistência interna de 150Ω e corrente para máxima escala igual a 50ª. Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Amperímetro (Multiplicação de Escala) Com o auxílio de um resistor inserido em paralelo com o amperímetro é possível obter-se leituras superiores ao fundo de escala do instrumento. Tal resistor é conhecido como shunt ou derivador. Desta forma, caso o amperímetro deva ser utilizado para uma faixa de medição n vezes superior a existente (fator de amplificação n), então uma parte da corrente passará pelo amperímetro e (n-1) partes deverão passar pelo shunt.

Ri Resistência shunt (Rs) deve ser: Rs  n 1 Ri - Resistência interna do amperímetro.

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Amperímetro (Multiplicação de Escala) Amperímetros com múltiplas escalas podem ser então facilmente projetados. Nesses casos, emprega-se um galvanômetro tipo quadro móvel e resistores convenientemente dimensionados, os quais são inseridos em paralelo (shunt ou derivador) pelo fechamento de uma chave seletora, por exemplo. A cada posição da chave, portanto, varia-se a escala de leitura de corrente.

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Amperímetro Amperímetro c.c. digital: Constituído por conversor A/D, decodificador e mostrador. Um amplificador de entrada é empregado para amplificar a queda de tensão no resistor de entrada. O circuito seletor de escala neste caso pode ser constituído de uma resistência de derivação de baixo valor, ligada em paralelo com um divisor de tensão, com valores de resistência determinados pelas escalas.

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Amperímetro Utilizado para medir correntes, sempre é ligado em série com o elemento cuja corrente deseja-se medir; o condutor deverá ser “aberto” no ponto de inserção do instrumento.

A medida será ideal se o instrumento não possuir resistência interna, isto é, se ele constituir um curto-circuito entre os pontos do circuito em que se encontra instalado, pois somente nesta condição é que as correntes e tensões do circuito não serão alteradas pelo medidor. Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Amperímetro (Precauções) • Antes de se usar o instrumento, deve-se escolher a escala adequada à grandeza da corrente a medir. Por exemplo, se a corrente a medir for da ordem de 60A, 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 800A. 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.

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Amperímetro (Alicate Amperímetro) Utilizado quando a interrupção do circuito é impraticável, capaz de medir a corrente pelo campo magnético que esta produz ao passar no condutor (Efeito Hall).

Exemplos de medição Prof. Lucas Giuliani Scherer, Dr.

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Medição de resistência Ohmímetro eletrônico: Constituído por conversor A/D, decodificador e mostrador. Um amplificador de entrada é empregado para amplificar a queda de tensão no resistor de entrada. O circuito seletor de escala neste caso pode ser constituído de uma resistência de derivação de baixo valor, ligada em paralelo com um divisor de tensão, com valores de resistência determinados pelas escalas.

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Exercícios de Fixação 1) Dois amperímetros, A1 e A2, têm as seguintes características: a) A1: escala 25 A, “classe de exatidão” 1,5. b) A2: escala 30 A, “classe de exatidão” 1,0. O primeiro é empregado para medir uma corrente de 22 A e o segundo para medir uma corrente de 12 A. Dizer qual das duas medições foi feita com mais exatidão. 2) Faça o cálculo dos resistores no projeto de amperímetro analógico das figuras abaixo, sabendo que o fundo de escala do galvanômetro é de 1mA e a resistência interna é de 10Ω.

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Exercícios de Fixação 3) Calcule os resistores relativos aos projetos dos voltímetros analógicos das figuras abaixo, sabendo que o galvanômetro tem uma corrente de fundo de escala de 1mA e resistência interna de 10Ω.

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