Medidas Elétricas

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Departamento Regional do Espírito Santo 3

CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Elétrica

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Medidas Elétricas - Elétrica

© SENAI - ES, 1996 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

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Sumário

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Medidas Elétricas03
• Introdução03
• Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas03
• Instrumento de Ferro Móvel04
• Instrumento de Bobina Móvel05
• Medição de Corrente e de Tensão09
• Medição de Resistência12
• Medição de Potência14
• Medidores de Energia Elétrica16
• Megômetro (Megger)23
• O Freqüencímetro27
• Medidor de Fator de Potência27
• Volt-Amperímetro Tipo Alicate28
• Precisão dos Instrumentos de Medidas Elétricas31
• Classe de Precisão dos Instrumentos39
• Simbologia dos Instrumentos de Medidas Elétricas40
• Simbologia quanto às unidades de medidas41
• Sensibilidade dos Instrumentos de Medidas Elétricas47

• Exercícios........................................................................... 51

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Introdução

efeito termoelétrico, efeito da temperatura na resistência, etc

Os aparelhos de medidas elétricas são instrumentos que fornecem uma avaliação da grandeza elétrica, baseando-se em efeitos físicos causados por essa grandeza. Vários são os efeitos aplicáveis, tais como: forças eletromagnéticas, forças eletrostáticas, efeito Joule,

Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas

Quanto ao princípio de funcionamento; • Instrumentos eletromagnéticos;

• Instrumentos eletrodinâmicos;

• Instrumentos eletroquímicos;

• Instrumentos dinâmicos.

Quanto à corrente

• Instrumentos de corrente contínua - C; • Instrumentos de corrente alternada - CA.

Quanto à grandeza a ser medida

• Amperímetros; • Voltímetros;

• Ohmímetros;

• Wattímetros;

• Varímetros;

• Fasímetros;

• Freqüencímetros, etc...

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Quanto à apresentação da medida

• Instrumentos Indicadores - apresentam o valor da medida no instante em que está sendo feita, perdendo-se esse valor no instante seguinte;

• Instrumentos Registradores - apresentam o valor da medida no instante em que está sendo feita e registra-o de modo que não o perdemos;

• Instrumentos Integradores - apresentam o valor acumulado das medidas efetuadas num determinado intervalo de tempo.

Quanto ao uso

• Instrumentos industriais; • Instrumentos de laboratório.

Instrumento de Ferro Móvel

Na parte interna de uma bobina, uma chapa de ferro doce fixa é montada em oposição a uma chapa móvel. Se na bobina circula corrente, então ambas as chapas são magnetizadas identicamente em relação aos pólos resultantes, e desta forma, se repelem. Quando se dá a inversão do sentido de circulação da corrente, na bobina, as chapas são novamente magnetizadas identicamente, e continuam se repelindo. Por isto, os instrumentos de ferro móvel são adequados para a medição, tanto de corrente quanto de tensão, em corrente contínua e em alternada. As forças magnéticas das chapas exercem um conjugado sobre o eixo do ponteiro. A grandeza deste conjugado não é proporcional à corrente na bobina, mas sim ao quadrado desta corrente que está sendo medida. Portanto, uma corrente três vezes maior ocasiona uma deflexão do ponteiro nove vezes superior. Por isto, a escala de leitura tem intervalos menores nos valores mais baixos do que nos mais elevados. Por meio de uma forma adequada das chapas no instrumento, é possível corrigir este detalhe, com exceção dos valores bem baixos. Em muitos instrumentos, uma leitura exata apenas é possível na faixa contida entre dois pontos bem destacados sobre a escala. A mola montada sobre o eixo do ponteiro desenvolve um conjugado oposto ao das chapas, levando assim o ponteiro novamente a zero, quando o instrumento é desligado. O ponteiro destes instrumentos não estabiliza imediatamente a sua posição de leitura sobre a escala, em virtude de vibrações do sistema de medição. Por isto, é necessário acrescentar ao sistema câmaras de amortecimento. Este amortecimento é conseqüente da ação entre uma lâmina que se desloca dentro de uma câmara, deslocamento este dificultado pela resistência do ar.

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Estes instrumentos são freqüentemente encontrados devido à sua construção robusta e mesmo assim simples, para aplicações industriais.

Instrumento de ferro móvel

Instrumento de Bobina Móvel

No campo de um imã permanente, é montada uma bobina móvel, giratória, alternada por corrente elétrica. a corrente é levada até a bobina por meio de molas espiras, que simultaneamente desenvolvem o conjugado de oposição ao deslocamento da bobina. A rotação da bobina e consequente deflexão do ponteiro, são proporcionais à corrente, o que faz com que os intervalos sobre a escala estejam igualmente distanciados. O ponto zero da escala pode tanto ficar no meio quanto na extremidade. Quando ocorre inversão do sentido de circulação da corrente, ocorre também a inversão da rotação da bobina ou da deflexão do ponteiro. Disto resulta que este instrumento apenas pode ser usado para medição de tensão ou corrente contínua. O amortecimento do movimento do ponteiro é obtido por frenagem de correntes de histerese, oriundas do movimento de rotação de uma moldura de alumínio que envolve a bobina móvel, no campo magnético.

Instrumento de bobina móvel

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Instrumento Eletrodinâmico

O sistema de medição eletrodinâmico consiste de uma bobina móvel e uma fixa. Perante a passagem de determinada corrente, as bobinas apresentarão a mesma polaridade e assim levarão o ponteiro à deflexão, por repulsão. A corrente que alimenta a bobina móvel é levada a esta por meio de 2 molas espirais, que, simultaneamente, desenvolvem uma força contrária ao deslocamento angular.

Instrumento eletrodinâmico

trabalho, que estiver em fase com a tensão, e assim seu valor

Numa inversão do sentido da corrente, ambas as bobinas invertem ao mesmo tempo a sua polaridade. Com isto, as condições de repulsão entre as bobinas não se alteram e a deflexão do ponteiro se dá sempre para o mesmo lado. Por esta razão, o instrumento pode ser utilizado tanto em corrente contínua quanto alternada. Usado como amperímetro ou como voltímetro, ambas as bobinas são ligadas em série ou, perante correntes muito elevadas, são ligadas em paralelo. A principal aplicação deste tipo de instrumento é encontrada nos medidores de potência (Wattímetros). Como a potência é obtida do produto da tensão pela corrente, a bobina fixa é dimensionada como bobina de corrente, e a móvel como de tensão. A potência, em watts, pode assim ser obtida diretamente por simples leitura. Na medição de potências em corrente alternada, a potência indicada é a potência útil, porque apenas aquela parte da corrente efetuará um

P = U x I x cosϕ. O amortecimento é obtido por uma câmara com ar, tal como no instrumento de ferro móvel. Às vezes são empregados instrumentos de medição blindados por uma chapa de ferro, para evitar influências magnéticas presentes no ambiente externo. Neste tipo, a bobina fixa é montada dentro de um anel de ferro fechado e laminado, evitando-se assim a formação de correntes parasitas. A precisão do instrumento é menor devido ao ferro.

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Instrumento eletrodinâmico blindado

Instrumento de Indução

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.

O instrumento de medição por indução ou tipo Ferraris

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.

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Instrumento de Bobinas Cruzadas

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.

Medição, à distância, de pressões por meio de um 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 apresentam-se 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.

Sistema de Medição com Fio Térmico

Neste instrumento, é utilizada a dilatação que um fio fino sofre devido ao calor originado pela passagem da corrente. Fixa-se um fio de tração a um fio esticado de platina-irídio, estando o fio de tração fixo a uma mola, passando por um rolo ou bobina. Quando da dilatação do fio térmico, a bobina é movimentada pela ação da mola, e o ponteiro é ativado, deslocando-se. A subdivisão da escala não é uniforme, uma vez que o calor dissipado varia com o quadrado da corrente. O instrumento é adequado para corrente contínua e alternada, sendo empregado sobretudo nas medições em alta freqüência.

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Sistema de medição com fio térmico

Instrumento Eletrostático

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.

Instrumento Eletrostático

Medição de corrente e de Tensão

Medição de Corrente

Todos os instrumentos destinados a medir correntes, que atualmente são utilizados, baseiam o seu funcionamento na ação magnética da corrente. Medidores de corrente ou amperímetros são ligados em série com o circuito de corrente, apresentando uma pequena resistência interna. Instrumentos de ferro móvel são fabricados para correntes até 250A, enquanto os de bobina móvel são executados para medir correntes de apenas alguns ampères.

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Medição de corrente mais elevadas.

Liga-se exatamente ao instrumento um resistor em paralelo, designado por derivador (antigamente shunt).

Amperímetro

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 derivador.

Re ~sistencia Resistencia do Instrumento R Fator de amplificacao 1 iRR R

Exemplo: A faixa de medição de amperímetro deve ser ampliada de 100µA para 1A. A resistência interna é de 2 ohms. Qual o tamanho do derivador Rn?

Fator de amplificação:

Para a medição de correntes alternadas elevadas, são usados transformadores de corrente.

Medição de tensão

Medidores de tensão ou voltímetros são medidores de corrente com elevada resistência interna. Quando da aplicação de uma tensão, circula nos aparelhos uma determinada corrente, que provoca a deflexão do ponteiro. Devido a resistência interna inalterável do instrumento, a escala pode ser ajustada em volts. Voltímetros são ligados em paralelo com o consumidor ou rede.

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Medição de tensão mais elevadas É utilizado um resistor de pré-ligação.

Voltímetro com resistor de pré-ligação

Se a tensão a ser medida é n vezes superior a faixa de medição existente, então o valor de tensão a ser consumido pelo resistor é de (n - 1) volts.

RP = Resistor de pré-ligação Ri = Resistência interna do instrumento Rp = Ri x (n - 1)

Exemplo: A faixa de medição de um voltímetro de 12 volts deve ser ampliada para 60 volts. A resistência interna do instrumento é de

2000 ohms. Qual o valor de Rp?

Para a medição de tensões alternadas elevadas, empregam-se transformadores de potencial.

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Medição da Resistência

Resistência obtida pela medição da tensão e da corrente.

A determinação da resistência de uma carga pode ser feita por medição indireta. Para tanto, o elemento resistivo é ligado a uma tensão, medindo-se a sua queda de tensão e a absorção da corrente. O valor da resistência é obtido segundo a Lei de Ohms: R = E/I.

Nas medições de grande precisão, devem ser levadas em consideração a resistência interna e a corrente absorvida pelo instrumento de medição.

Ligações para a determinação indireta de resistências

Medição por meio de Ohmímetro.

Ligando-se diversos resistores de valores diferentes a uma mesma tensão, então em cada um aparecerá uma corrente de valor diferente. As grandezas das correntes são inversamente proporcionais aso valores dos resistores. Quando da interrupção de um circuito de corrente, isto é, quando a resistência tem um valor infinitamente elevado, a corrente terá valor nulo. Por estas razões, a escala de um amperímetro pode ser calibrada em ohms e o instrumento utilizado como um ohmímetro.

Ligação do ohmímetro

A escala em ohms começa então com o valor infinito (∞).

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Escala do ohmímetro

A fonte de tensão é normalmente uma bateria de 4 volts. O valor da deflexão máxima do instrumento (valor zero) é ajustado mediante o pressionamento do botão de prova (eliminação do resistor Rx) e pelo ajuste do resistor preligado. Quando diferentes baterias são usadas, a tensão exata é obtida por meio de um divisor de tensão.

Pontes de Medição

Compõe-se a ponte de medição de dois divisores de tensão ligados em paralelo, cada um composto de 2 resistores (R1 - R3) e (R2 - R4), sob a mesma tensão, acrescentando-se mais um amperímetro (galvanômetro) ligado entre os terminais de um dos divisores de tensão.

Divisores de tensão ligados em paralelo (ligação em ponte)

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