Instrumentos de Medidas Elétricas B - SENAI

Instrumentos de Medidas Elétricas B - SENAI

(Parte 1 de 3)

Alcantaro Corrêa Presidente da FIESC

Sérgio Roberto Arruda Diretor Regional do SENAI/SC

Antônio José Carradore Diretor de Educação e Tecnologia do SENAI/SC

Marco Antônio Dociatti Diretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC

Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina

Florianópolis – 2004

Não pode ser reproduzido, por qualquer meio, sem autorização por escrito do SENAI DR/SC.

Equipe Técnica:

Organizadores: José Wanderley Cardoso João Belmiro Freitas Moisés Luiz Parucker Odenir João Pirola Valmir Antônio Soligo Vanderlei Baldessar Volnei Cesar Magedans

Coordenação: Adriano Fernandes Cardoso

Osvair Almeida Matos Roberto Rodrigues de Menezes Junior

Produção Gráfica: César Augusto Lopes Júnior

Capa: César Augusto Lopes Júnior

Solicitação de Apostilas: Mat-didat@sc.senai.br

SENAI. SC. Medidas Elétricas. Florianópolis: SENAI/SC, 2004. 42 p.

1. Medida Elétrica. 2. Medição Elétrica. 3. Instrumento de Medição Elétrica. I. Título.

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina w.sc.senai.br

Rodovia Admar Gonzaga, 2765 – Itacorubi. CEP 88034-001 - Florianópolis - SC

1 Introdução6
2 Princípios de Funcionamento dos Instrumentos de Medição7
2.1 Instrumento Bobina móvel e Imã permanente (BMIP)7
2.2 Ferro Móvel10
2.3 Instrumento do tipo eletrodinâmico15
3 Erros17
3.1 Definição Segundo a ABNT (NB-278/73)17
3.1.1 Erro17
3.1.2 Valor Verdadeiro17
3.1.3 Exatidão17
3.1.4 Precisão17
3.1.5 Classe de Exatidão17
3.1.6 Índice de Classe (IC)17
3.1.7 Erro Absoluto18
3.1.8 Erro Relativo ( )18
3.1.9 Escala de um Instrumento18
3.1.10 Valor de Plena Escala18
3.2 Classificação dos Erros18
3.2.1 Erros Grosseiros19
3.2.2 Erros Sistemáticos19
3.3.3 Erros Alegóricos20
4 Simbologia21
4.1 Símbolos do Sistema de Medição de Instrumentos e Acessórios21
4.2 Símbolos para Natureza da Corrente e Número de Sistemas de Medição2
4.3 Símbolos para ensaio de Tensão2
4.4 Símbolo de Classe de Exatidão2
4.5 Símbolo para posição de uso:23
4.6 Exemplo:23
5 Do Relatório24
5.1 Objetivo24
5.2 Material utilizado24
5.3 Desenvolvimento24
5.4 Análise e Interpretação25
6 Exercícios37
Referências Bibliográficas42

SUMÁRIO 5

Atualmente as novas tecnologias exigem que as grandes elétricas envolvidas nos fe- nômenos físicos sejam medidas, com uma confiabilidade cada vez melhor.

Com isso surgem instrumentos e técnicas que permitem medir e controlar tais grande- zas.

Evidentemente que os conceitos fundamentais, clássicos e básicos de medidas elétri- cas são indispensáveis aos profissionais que utilizam estas novas tecnologias.

Conhecendo-se tais conceitos, consegue-se medir e controlar grandezas físicas não elétricas tais como: temperatura, vazão, Pressão, velocidade, etc.

O escopo desta apostila é dar base fundamental referente à medição elétrica, estu- dando os instrumentos mais comuns utilizados.

Uma corrente elétrica ao percorrer um condutor, cia em torno do mesmo, um campo magnético, cuja direção depende do sentido da corrente.

i i

Fig. 01 Fig. 02 Se a corrente (i) for constante (c) o campo será constante;

Se a corrente (i) for variável (ca) o campo será variável;

Quando colocarmos uma bobina no centro de um campo magnético d um imã perma- nente em forma de “U”; A corrente elétrica, ao circular pela bobina, cria na mesma um campo magnético norte e sul, Este, por sua vez, faz a bobina deslocar-se no seu eixo para a esquerda ou para a direita, atraída ou repelida pêlos pólos do imã permanente.

-+

Os instrumentos eletromagnéticos do tipo bobina móvel tem seu princípio de funcio- namento baseado nessa atração e repulsão, que ocorre entre o campo magnético cri- ado na bobina e o campo magnético do imã permanente.

Esses instrumentos são compostos basicamente de:

F A – imã permanente em forma de U

B – Bobina móvel com núcleo de ferro fundido C – eixo, que interliga o ponteiro e a bobina móvel

E – molas, que fazem o ponteiro retornar ao zero da escala, quando não circulam corrente pela bobina

F – escala graduada

B Fig. 04

Se aplicarmos a corrente no sentido a direita, os pólos terão formação idêntica ao ilus- trados.

Note que, neste caso, a bobina tenderá a movimentar-se para a direita, com o seu pólo norte sendo atraído pelo pólo sul do imã permanente.

Quando a corrente estiver em sentido contrário, os pólos terão formação também in- versa. Nesta situação a bobina tenderá a movimentar-se para esquerda.

Fig. 06 O deslocamento da bobina para esquerda ou para direita será maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver percorrendo.

Neste instrumento há também:

*Pólos Invariáveis – formados pelo imã permanente *Pólos Variáveis – formados pela bobina de acordo com o sentido da corrente.

As bobinas dos instrumentos de medidas elétricas do tipo bobina móvel funcionam somente em corrente continua.

Porque se aplicarmos uma corrente alternada neste instrumento. Ocorrerá que há variação da CA, vão ocorrer mudanças no sentido do campo magnético da bobina, fazendo com que ela fique vibrando, atraindo ora para um lado, ora para outro.

Vantagens dos instrumentos bmip As principais vantagens são:

1. Baixo consumo próprio. 2. Alta sensibilidade. 3. Uniformidade da escala e possibilidade de escalas bastante amplas. 4. A possibilidade de um simples instrumento ser utilizado com “Shunts” e resistores série apropriados, para cobrir uma ampla gama de correntes e tensões, como ve- remos mais adiante.

5. Livre de erros devido à histerese e campos magnéticos externos. 6. Amortecimento perfeito, simplesmente obtido por correntes parasitas no metal (car- retel de alumínio), que suporta e forma a bobina móvel.

8Escala Uniforme.

7. Bastante preciosos. Desvantagens dos instrumentos bmip As principais desvantagens são:

1. Só são usados em corrente contínua. 2. São instrumentos polarizados. 3. Construção complexa e sensível. 4. Devido a sua alta sensibilidade, danifica-se muito rapidamente, caso não seja utili- zado com muito cuidado.

5. Não são muito apropriados como instrumentos de ferro móvel.

Quando colocado no interior de uma bobina duas laminas de ferro, com a passagem da corrente elétrica, as duas lâminas terão identidade de polarização, isto é, haverá formação de pólos iguais nos seus extremos.

Portanto, as duas lâminas terão a repelir-se, uma vez que, pela lei de atração e repul- são, pólos iguais se repelem.

Fig. 08Fig. 09

Os instrumentos de medidas elétricas eletromagnéticos de tipo móvel tem seu princi- pio de funcionamento baseado nessa repulsão que ocorre entre duas lâminas de ferro colocadas dentro de uma bobina.

Esses instrumentos apresentam os seguintes componentes básicos:

A – bobina magnetizante; B – placa de ferro fixa; C – placas de ferro móvel; D – ponteiros;

E – eixo que interliga a placa móvel e o ponteiro; F – mola que faz o ponteiro retornar a posição de repouso; G – escala graduada;

A figura abaixo é uma forma esquemática do instrumento tipo ferro móvel, onde:

A – representa a bobina magnetizante; B – representa a placa de ferro fixa; C – representa a placa de ferro móvel, acoplada ao ponteiro.

Observe novamente a figura acrescida da corrente elétrica em circulação:

Note que quando a corrente elétrica circula pela bobina A, será formada um campo magnético, que magnetizará as placas B e C. Como estas placas estão alinhadas na mesma direção, elas se magnetizarão com pólos iguais. Por isso a placa móvel C ten- derá se afastar (repulsão) da placa fixa B, arrastando consigo o ponteiro.

O afastamento da placa móvel C da placa fixa B será maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver circulando pela bobina.

Os instrumentos de medida elétrica tipo ferro móvel funcionam tanto em corrente con- tínua como em corrente alternada.

Corrente contínua

Aplicando a regra da mão direita, é possível determinar o sentido do campo magnético na bobina e, conseqüentemente, as localizações dos pólos norte e sul nas placas;

A corrente contínua não muda de sentido.

Por causa desses aspectos, quando se aplica uma corrente continua nos instrumentos eletromagnético de medidas elétricas, tipo ferro móvel, ela entra por uma das pontas da bobina e sai pela outra.

Na figura acima a corrente está entrando pela ponta A e saindo pela ponta B. A formação dos pólos se dará de maneira exatamente igual á do desenho:

- Pólo norte na placa fixa e - Pólo norte na placa móvel

Veja agora se inverter o sentido da corrente, fazendo entrar pela ponta B.

B+

Com a inversão da corrente estamos invertendo também o sentido do campo magnéti- co na bobina, e conseqüentemente, a formação dos pólos nas extremidades das pla- cas, ou seja:

- Pólo sul na placa fixa e - Pólo sul na placa móvel.

Corrente alternada A CA inverte o sentido várias vezes durante o percurso. Veja, por exemplo, uma CA de 60 Hz. O seu sentido é invertido 120 vezes durante um segundo.

Portanto, quando aplicamos CA, é como se aplicássemos C, invertendo o sentido muitas vezes.

Durante as variações de CA, ocorrem mudanças no sentido do campo magnético for- mado pela bobina. Conseqüentemente a polaridade das placas também muda.

No entanto, formam-se pólos sempre iguais nos extremos das placas fazendo com que estas tenham a tendência de se repelir mutuamente.

Instrumento Eletromagnético do Tipo Ferro Móvel Amperímetro

Como você pode observar, o instrumento de medida elétrica tipo ferro móvel, quando usado como voltímetro, apresenta os mesmos componentes básicos. Variam apenas as características da bobinas e a escala, que nesse caso, é graduada em voltas.

Os voltímetros são conectados em paralelo. Por isso, sua bobina deve Ter uma impe- dância que absorva toda a tensão do ponto a ser medido.

Essa absorção deve ocorrer com menor consumo de energia possível – o consumo essencial para magnetizar a bobina.

Por essa razão, as bobinas dos voltímetros tipo ferro móvel são confeccionados com muitas espiras em fio fino.

Instrumento Eletromagnético do Tipo Ferro Móvel Voltímetro

Os amperímetros são conectados em série. Por isso, sua bobina não deve Ter uma impedância, que absorva parte do potencial da carga.

Os instrumentos do tipo eletrodinâmico tem seu principio de funcionamento baseado também na lei de atração e repulsão.

O seu principio de funcionamento é semelhante ao do tipo bobina móvel, com as se- guintes diferenças:

- Na bobina móvel, tínhamos pólos fixos formados por imã permanentes e pólos mó- veis formados por uma bobina. - No eletrodinâmico ambos os pólos, fixos e móveis, são formados por bobinas.

Esse sistema eletrodinâmico apresenta duas variações:

- Eletrodinâmico simples - Eletrodinâmico de bobinas cruzadas

Inicialmente iremos falar do funcionamento dos instrumentos eletrodinâmicos simples. Instrumento eletrodinâmico simples Basicamente, esses instrumentos são compostos de: A – Bobina fixa B – Bobina móvel C – Ponteiro

D – Escala graduada Fig. 18

Com a passagem da corrente, as bobinas apresentam polaridades iguais e a bobina móvel se desloca, arrastando consigo o ponteiro. Este, por sua vez, registra um de- terminado valor na escala graduada.

Se ocorrer a inversão de um dos sentidos da corrente, ambas as bobinas invertem ao mesmo tempo suas polaridades. Com esta inversão as condições de repulsão entre as bobinas não se alteram e a deflexão do ponteiro ocorre sempre na mesma direção.

Por apresentar esta versatilidade em seu funcionamento, os instrumentos eletrodinâ- micos simples podem ser usados tanto para corrente contínua como para a corrente alternada.

Eletrodinâmico com bobinas cruzadas Os instrumentos eletrodinâmicos tipo bobina cruzada são compostos de:

A – Bobina móveis cruzada B – Bobina fixa

C – Núcleo de ferro Fig. 19

Observe que o princípio de funcionamento eletrodinâmico com bobinas cruzadas é composto de duas bobinas móveis interligadas entre si, cruzadas e colocadas sob influência do campo magnético da bobina fixa.

Ao receber tensão, cada uma das bobinas cria campo magnético próprios que intera- gem e provocam o deslocamento das bobinas móveis, que por sua vez, arrastam o ponteiro a elas acopladas.

O deslocamento das bobinas móveis será para direita ou para esquerda, de acordo com o valor da corrente em cada uma.

Porém quando os valores forem iguais, haverá equilíbrio e as bobinas se ajustarão sobre um ponto central, como você pode observar na ilustração anterior.

Quando não conectados á rede, os ponteiros deste tipo de instrumento podem tomar qualquer posição sobre sua escala graduada.

Dentre os instrumentos de medição temos os seguintes, que utilizam o princípio de funcionamento eletrodinâmico:

- Wattímetro - Fasímetro e

- Megômetro

É o desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como ver- dadeiro).

3.1.2 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 a obtenção de um valor aceito como verdadeiro, que substitui o valor verdadeiro. É a medida de uma amostra de um de- terminado número de medidas técnicas, usando o mesmo material e mantendo-se na medida do possível, as mesmas condições ambientais.

Assim:

X = Xm – Xp = Xm – Xv

Xm = Valor da grandeza obtido através da medida. Xp = Valor padrão da grandeza, obtido através do método de referência cons- truído na prática. Xv = Valor verdadeiro da grandeza, que é um valor ideal, supondo a supressão total de todo o tipo de erro.

Na falta de Xv aceita-se Xp, que é denominado, então, de valor de referência tomado como verdadeiro.

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.

Refere-se a maior ou menor aproximação da medida em termos de casas decimais. A precisão, portanto revela o grau de rigorismo com que um instrumento de medida indi- ca o valor de uma certa grandeza.

3.1.5 Classe de Exatidão

É o limite de erro, garantido pelo fabricante de um instrumento, que se pode cometer em qualquer medida efetuada pelo mesmo.

3.1.6 Índice de Classe (IC)

Número que designe a classe de exatidão, o qual deve ser tornado como uma porcen- tagem do valor de plena escala de um instrumento.

3.1.7 Erro Absoluto

É a diferença algébrica entre o valor medido (Xm) e o valor aceito como verdadeiro (Xv).

Assim, pose-se dizer que o valor verdadeiro situa-se entre:

Neste caso, X é o limite máximo do erro absoluto ou simplesmente erro absoluto. Assim, diz-se que:

Se X>Xv, o erro é por excesso e, Se X<Xv, o erro é por falta.

É definido como a relação entre o erro absoluto ( X) e valor aceito como verdadeiro (Xv) de uma grandeza, podendo ou não ser expresso em percentual.

Xv ou %

Xv

Para efeito de cálculo do erro relativo, pode-se considerar Xv=Xm, logo:

X Xv

Definição de escala de um instrumento e do valor de plena escala.

3.1.9 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.

3.1.10 Valor de Plena Escala É o máximo valor da grandeza que um instrumento pode medir.

- Grosseiros - Sistemáticos

- Acidentais, alegóricos ou residuais

3.2.1 Erros Grosseiros

São devidos à falta de atenção; são resultados de enganos nas leituras e anotações de resultados.

São de inteira responsabilidade do operador e não podem ser tratados matematica- mente.

Para evitá-los é necessário proceder à repetição dos trabalhos, mas é necessário, sobretudo, que se trabalhe com muita atenção.

ƒ Erros de Leitura

- São devidas as influências do operador e dependem das características do sistema de leitura.

- Erro de paralaxe.

3.2.2 Erros Sistemáticos

São ligados às deficiências do método, do material empregado ou da avaliação da medida do operador. Estes erros podem ser classificados como:

- De construção e ajuste; - De leitura;

- Inerente ao método;

- Devido a condições externas.

ƒ A – Erros de construção e ajuste

- Erros de graduação da escala na indústria. - Erros de ajuste entre pinos e eixos, assim como de componentes elétricos.

Estes erros tendem a crescer com a idade do instrumento devido a:

- Oxidação; - Desgaste dos contactos entre peças móveis e fixas.

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