(Parte 1 de 4)

Instrumentos de medidas elétricas

© Prof. Engº Luiz Antonio Vargas Pinto 2008

Introdução2
Conceitos básicos:3
Diferença de potencial (DDP):3
Corrente elétrica3
Potência:4
Lei de Ohm:4
Curva característica:4
Associação de resistores:4
Galvanômetros5
Princípio de funcionamento5
Bobina móvel6
Princípio de funcionamento6
Detalhes construtivos7
Escalas8
Consumo próprio8
Sobrecargas8
Amperímetro9
Determinação da resistência interna de amperímetro10
Voltímetro10
Transformadores de potência13
Instrumentos eletrodinâmicos14
Amperímetro eletrodinâmico15
Voltímetro eletrodinâmico16
Wattímetro eletrodinâmico16
Instrumento Ferrodinâmico17
Tipos17
Amortecimento17
Escalas18
Derivadores shunt18
Aspectos construtivos18
Medição de Fator de Potência18

Introdução

Medida elétrica é uma conjunto de técnicas modernas de grande valor utilizada para resolução de problemas de pesquisa em geral e, principalmente, aqueles referentes a controle de processos industriais. Também poderão ser solucionados problemas de controle de diversos processos físicos que não sejam elétricos tais como temperatura, vazão, pressão, umidade, velocidade, etc.. Logo de início temos três problemas para efetuar a medição elétrica: 1. O que medir ? 2. Com que medir ? 3. Como avaliar esta medição ?

No nosso caso, o primeiro problema, que é o que mais nos interessa, podemos dizer que existe uma vasta quantidade de grandezas possíveis de medirmos. Em medição elétrica as mais importantes são:

e, utilizando transdutores:

Os instrumentos podem ser divididos de acordo com o emprego e sistema de medição com o qual funcionam. Assim temos os seguintes sistemas:

4. eletrodinâmico (W, A, V, VAR, COS ϕ) 5. de imã móvel (A, V) 6. eletrônico digital (A, V, Hz) 7. fio aquecido 8. eletrostático

Quanto ao emprego podemos dividi-los em: • indicadores: apenas indicam a grandeza medida naquele instante.

• reguladores: indicam a grandeza do instante e tem a capacidade de influir no processo para adequa-lo as necessidades pré estabelecidas

• registradores: indica a grandeza medida e registra este valor medido no decorrer do tempo em fita cassete, papel, etc.

Quanto ao uso podemos classificá-los em: • instrumentos de painéis e quadros

• instrumentos portáteis Assim é necessário que ao se efetuar uma medição se tenha em mente a necessidade de se optar por um instrumento adequado a medição que se deseja efetuar.

Conceitos básicos: Diferença de potencial (DDP):

Lembrando que a diferença de potencial permite a existência da corrente elétrica, vamos defini-la:

Corrente elétrica

Considere a corrente elétrica como se as cargas em movimento percorressem um tubo isolante com uma restrição como a da figura 1:

Observe que existe uma alta concentração de elétrons na "entrada" da restrição devido ao deslocamento do fluxo de cargas. É fácil notar que o potencial 1 é mais negativo do que o potencial 2 e isto é o mesmo que dizer que o potencial 2 é mais positivo que o potencial 1 pois a concentração de elétrons é menor naquele local. Ou mesmo ainda: Surgiu uma diferença de potencial.

Eletricamente podemos representar esta redução (queda) de tensão elétrica da seguinte forma:

Queda de potencial

O que representa uma restrição a passagem de elétrons o que denominamos de resistência elétrica, esquematicamente representada como segue:

Agora já sabemos o quê medir, resta saber como fazê-lo.

Potência: ⇒ P = U.i

Lei de Ohm: U=R.i

Linear- não linear
Passivo- Ativo

Curva característica: Simétrico - Assimétrico

Associação de resistores:

[ Série ] [ Paralelo ]

Galvanômetros

Princípio de funcionamento

É o mesmo da balança de dois pratos, ou seja um determinado peso já conhecido se opõe a outro desconhecido e que desejamos determinar. O equilíbrio entre os dois determina sua equivalência. No instrumento de medida elétrica a ação de uma corrente produz uma força que desloca um elemento móvel. A força contrária de uma mola espiral produz um equilíbrio de forças fazendo com que este elemento pare em algum lugar. Um ponteiro colocado no eixo deste elemento móvel e este ponteiro se deslocando sobre uma escala proporciona a leitura. O ponteiro irá parar quando o momento de torção produzido pela ação da corrente e o momento de torção produzido pela mola tiverem a resultante nula, isto é, se equilibrem da mesma forma que os pratos da balança.

O problema começa pelo fato de que a sensibilidade da bobina á passagem da corrente elétrica é um fator decisivo sobre a construção desta. Isto é o mesmo que dizer que o limite é a corrente da bobina.

Quando sujeita a uma corrente elevada, máxima para a bobina a força exercida sobre a mesma (conjugado) será máxima. Da mesma forma que quando a corrente é zero, o conjugado não existe. Assim podemos ter como limites imax<i<imin. Aproveitando esse

deslocamento, registrando-o em uma escala numérica, teremos um registro visual deste deslocamento, ou seja como podemos ver na figura 2. A construção de dispositivos mecânicos com sensibilidade suficiente para aplicações práticas foi conseguido com mecanismos como o ilustrado na figura 2. Note a ausência de elementos mecânicos no desenho, pois este visava demonstrar a construção elétrica. Mostramos em seguida os dispositivos com características mecânicas na figura 3 onde o mesmo galvanômetro aparece com sua respectiva mola de retorno assim como os contrapesos que permitiam o perfeito ajuste da sensibilidade mecânica.

Podemos observar na figura 3 a distribuição mecânica de sua estrutura. Observe os parafusos que ajustam a pressão do eixo do ponteiro. Ali mesmo ainda podemos ver a mola restauradora, responsável pelo retorno do ponteiro ao ZERO da escala. Essa mola ainda tem uma outra característica além do retorno: É preciso vencer a pressão dessa mola para por o ponteiro em movimento o que exige uma corrente mínima que gere um conjugado capaz de fazer isto. Os contrapesos ainda servem para dar equilíbrio ao conjunto do ponteiro permitindo um movimento mais suave deste não afetando a leitura.

No detalhe do ponteiro com eixo da figura 4 seguinte, podemos ver o efeito dos parafusos de pressão sobre o eixo. Não é mostrado na figura mas existe no engate do eixo com os parafusos uma área de contato que nos primeiros aparelhos era feita justamente de alguma pedra preciosa tal como Safira ou mais comumente Rubi. Isto melhorava o coeficiente de atrito do eixo com os parafusos sem perder a qualidade de movimento de rotação. Podendo ser também feito de uma liga de Bronze-Berílio

Bobina móvel

Este instrumento foi aperfeiçoado pelo físico D’Arsonval, e por esta razão é também conhecido como sistema de Arsonval. É o instrumento mais utilizado em medições elétricas. Tem um elevado grau de aperfeiçoamento técnico. Por se tratar de um sistema simples que permite elevada sensibilidade e considerável robustez mecânica se tornou insubstituível em numerosas aplicações.

Princípio de funcionamento

Seu funcionamento é baseado no funcionamento do motor elétrico, um condutor percorrido por uma corrente elétrica inserido num campo magnético. Uma bobina de fios bem finos e inserida num campo magnético criado por um imã permanente. Esta bobina tem a capacidade de girar pois se encontra suportada por um eixo. O momento contrário de torção e dado por uma ou duas molas espirais. Ao ser aplicada uma corrente elétrica na bobina, esta criara um campo magnético perpendicular ao plano da bobina que procurara ficar na mesma direção do campo do imã permanente. Esta tendência da bobina em ficar perpendicular ao campo do imã permanente cessara assim que a força exercida pela mola anular a força criada pela passagem da corrente na bobina. A bobina dentro do campo magnético do imã permanente e percorrida por uma corrente i e estará sujeita a um momento elétrico:

ME = n i S B ωS Onde:

n = número de espiras da bobina i = corrente em Ampére S = área da bobina (m2) B = campo magnético do imã

O momento de torção contrario, criado pela mola espiral, aumenta com o deslocamento da bobina:

M = K α ωS Onde:

K = constante da mola α = deslocamento angular da bobina

O movimento do ponteiro cessa quando os dois momentos de torção se equilibrarem e o ponteiro ali permanecerá parado, ou seja:

n i S B ωS = K α ωS α = i n S B

K

α = i n S B α = ± C i ou seja, podemos dizer que o desvio é proporcional à corrente I da bobina. O gráfico determinado por esta função é linear (linha reta) passando por zero, isto significa que o instrumento tem escala linear, as distâncias entre os pontos de valores inteiros são iguais. Na prática pequenas imperfeições do conjunto originam deformações na linearidade que entretanto, para a pratica não são de grande importância. O sinal ± na equação do momento provocado pela bobina indica que o sentido da torção dependera do sentido da corrente. Isto eqüivale a dizer que o instrumento de bobina móvel somente poderia ser utilizado em corrente continua, se no entanto utilizarmos diodos retificadores este aparelho também se prestará a medição de corrente alternada. Devido as suas características, este tipo de instrumento e apropriado para as leituras de valores pequenos de corrente. Atualmente são construídos aparelhos que chegam a medir valores da ordem de 10μA. Para valores maiores são empregadas resistências Shunt que ampliam os valores de medição destes aparelhos para valores ate 10.000A.

Detalhes construtivos

No projeto do circuito magnético deve-se ter em conta a obtenção de mínima porcentagem de fugas, além de uma proteção contra a influência de campos magnéticos externos. Quanto ao amortecimento do ponteiro no instrumento de bobina móvel utiliza-se exclusivamente o método do amortecimento eletromagnético baseado nas correntes de Foucault que diz: “Quando uma massa de cobre ou alumínio se movimenta em um campo magnético, aparecem nela correntes induzidas

Estas correntes se desenvolvem em planos perpendiculares a direção do campo estando submetidas a Lei de Lenz, ou seja, que tendem a opor-se ao movimento que as produz: “Toda a corrente induzida tem um sentido tal que tende a opor-se à

(Parte 1 de 4)

Comentários