MEDIDASEL TRICAS Alcantaro Corra Presidente da FIESC Srgio Roberto Arruda Diretor Regional do SENAI/SC Antnio Jos Carradore Diretor de Educao e Tecnologia do SENAI/SC Marco Antnio Dociatti Diretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC FIESC SENAI Federao das Indstrias do Estado de Santa Catarina Servio Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina MEDIDAS ELTFICAS Florianpolis 2004 No pode ser reproduzido, por qualquer meio, sem autorizao por escrito do SENAI DR/SC. Equipe Tcnica: Organizadores: Jos Wanderley Cardoso Joo Belmiro Freitas Moiss Luiz Parucker Odenir Joo Pirola Valmir Antnio Soligo Vanderlei Baldessar Volnei Cesar Magedans Coordenao: Adriano Fernandes Cardoso Osvair Almeida Matos Roberto Rodrigues de Menezes Junior Produo Grfica: Csar Augusto Lopes Jnior Capa: Csar Augusto Lopes Jnior Solicitao de Apostilas: Mat-didat@sc.senai.br S491s SENAI. SC. Medidas Eltricas. Florianpolis: SENAI/SC, 2004. 42 p. 1. Medida Eltrica. 2. Medio Eltrica. 3. Instrumento de Medio Eltrica. I. Ttulo. CDU: 612.317 Servio Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina www.sc.senai.br Rodovia Admar Gonzaga, 2765 Itacorubi. CEP 88034-001 - Florianpolis - SC Fone: (048) 231-4290 Fax: (048) 234-5222 SUMRIO 1 Introduo.................................................................................................................... 62 Princpios de Funcionamento dos Instrumentos de Medio ...................................... 7 2.1 Instrumento Bobina mvel e Im permanente (BMIP).......................................... 7 2.2 Ferro Mvel......................................................................................................... 10 2.3 Instrumento do tipo eletrodinmico..................................................................... 15 3 Erros .......................................................................................................................... 17 3.1 Definio Segundo a ABNT (NB-278/73) ........................................................... 17 3.1.1 Erro .............................................................................................................. 17 3.1.2 Valor Verdadeiro .......................................................................................... 17 3.1.3 Exatido ....................................................................................................... 17 3.1.4 Preciso ....................................................................................................... 17 3.1.5 Classe de Exatido ...................................................................................... 17 3.1.6 ndice de Classe (IC) ................................................................................... 17 3.1.7 Erro Absoluto ............................................................................................... 18 3.1.8 Erro Relativo ( ) ........................................................................................... 18 3.1.9 Escala de um Instrumento ........................................................................... 18 3.1.10 Valor de Plena Escala ............................................................................... 18 3.2 Classificao dos Erros ...................................................................................... 18 3.2.1 Erros Grosseiros .......................................................................................... 19 3.2.2 Erros Sistemticos ....................................................................................... 19 3.3.3 Erros Alegricos .......................................................................................... 20 4 Simbologia ................................................................................................................. 21 4.1 Smbolos do Sistema de Medio de Instrumentos e Acessrios ...................... 21 4.2 Smbolos para Natureza da Corrente e Nmero de Sistemas de Medio ........ 22 4.3 Smbolos para ensaio de Tenso ....................................................................... 22 4.4 Smbolo de Classe de Exatido.......................................................................... 22 4.5 Smbolo para posio de uso: ............................................................................ 23 4.6 Exemplo: ............................................................................................................. 23 5Do Relatrio.............................................................................................................. 24 5.1 Objetivo............................................................................................................... 24 5.2 Material utilizado ................................................................................................. 24 5.3 Desenvolvimento ................................................................................................ 24 5.4 Anlise e Interpretao ....................................................................................... 25 6 Exerccios .................................................................................................................. 37 Referncias Bibliogrficas ............................................................................................ 42 SENAI/SC 5 Medidas Eltricas 1 INTRODUO Atualmente as novas tecnologias exigem que as grandes eltricas envolvidas nos fe- nmenos fsicos sejam medidas, com uma confiabilidade cada vez melhor. Com isso surgem instrumentos e tcnicas que permitem medir e controlar tais grande- zas. Evidentemente que os conceitos fundamentais, clssicos e bsicos de medidas eltri- cas so indispensveis aos profissionais que utilizam estas novas tecnologias. Conhecendo-se tais conceitos, consegue-se medir e controlar grandezas fsicas no eltricas tais como: temperatura, vazo, Presso, velocidade, etc. O escopo desta apostila dar base fundamental referente medio eltrica, estu- dando os instrumentos mais comuns utilizados. SENAI/SC 6 Medidas Eltricas 2 PRINCPIOSDEFUNCIONAMENTODOSINSTRUMENTOSDEME- DIO 2.1 Instrumento Bobina mvel e Im permanente (BMIP) Uma corrente eltrica ao percorrer um condutor, cia em torno do mesmo, um campo magntico, cuja direo depende do sentido da corrente. ii Fig. 01Fig. 02 Se a corrente (i) for constante (cc) o campo ser constante; Se a corrente (i) for varivel (ca) o campo ser varivel; Quandocolocarmosumabobinanocentrodeumcampomagnticodumimperma- nente em forma de U; A corrente eltrica, ao circular pela bobina, cria na mesma um campomagnticonorte esul,Este, porsuavez, faz abobina deslocar-seno seueixo para a esquerda ou para a direita, atrada ou repelida plos plos do im permanente. N NS S -+ Fig. 03 Os instrumentos eletromagnticos do tipo bobina mvel tem seu princpio de funcio- namento baseado nessa atrao e repulso, que ocorre entre o campo magntico cri- ado na bobina e o campo magntico do im permanente. SENAI/SC 7 Medidas Eltricas Esses instrumentos so compostos basicamente de: F A im permanente em forma de U B Bobina mvel com ncleo de ferro fundido C eixo, que interliga o ponteiro e a bobina mvel E molas, que fazem o ponteiro retornar ao zero da escala, quando no circulam corrente pela bobina F escala graduada C A E D B Fig. 04 Se aplicarmos a corrente no sentido a direita, os plos tero formao idntica ao ilus- trados. Note que, neste caso, a bobina tender a movimentar-se para a direita, com o seu plo norte sendo atrado pelo plo sul do im permanente. _ + N NS S _ + Fig. 05 Quando a corrente estiver em sentido contrrio, os plos tero formao tambm in- versa.Nesta situao a bobina tender a movimentar-se para esquerda. _ + S NS N _ + Fig. 06 O deslocamento da bobina para esquerda ou para direita ser maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver percorrendo. SENAI/SC 8 Medidas Eltricas Neste instrumento h tambm: *Plos Invariveis formados pelo im permanente *Plos Variveis formados pela bobina de acordo com o sentido da corrente. As bobinas dos instrumentos de medidas eltricas do tipo bobina mvel funcionam somente em corrente continua. Porqueseaplicarmosumacorrentealternadanesteinstrumento.Ocorrerqueh variaoda CA, voocorrermudanasno sentido docampomagnticoda bobina, fazendo com que ela fique vibrando, atraindo ora para um lado, ora para outro. Fig. 07 Vantagens dos instrumentos bmip As principais vantagens so: 1.Baixo consumo prprio. 2.Alta sensibilidade. 3.Uniformidade da escala e possibilidade de escalas bastante amplas. 4.A possibilidade de um simples instrumento serutilizado com Shunts e resistores srie apropriados,paracobrir umaamplagamadecorrentesetenses,como ve- remos mais adiante. 5.Livre de erros devido histerese e campos magnticos externos. 6.Amortecimento perfeito, simplesmente obtido por correntes parasitas no metal (car- retel de alumnio), que suporta e forma a bobina mvel. 7.Bastante preciosos. 8. Escala Uniforme. Desvantagens dos instrumentos bmip As principais desvantagens so: 1.S so usados em corrente contnua. 2.So instrumentos polarizados. 3.Construo complexa e sensvel. 4.Devido a sua alta sensibilidade, danifica-se muito rapidamente, caso no seja utili- zado com muito cuidado. 5.No so muito apropriados como instrumentos de ferro mvel. SENAI/SC 9 Medidas Eltricas 2.2 Ferro Mvel Quando colocado no interior de umabobinaduas laminas de ferro, com a passagem dacorrenteeltrica,asduaslminasteroidentidadedepolarizao,isto,haver formao de plos iguais nos seus extremos. Portanto, as duas lminas tero a repelir-se, uma vez que, pela lei de atrao e repul- so, plos iguais se repelem. Fig. 08Fig. 09 Os instrumentos de medidas eltricas eletromagnticos de tipo mvel tem seu princi- pio de funcionamento baseado nessa repulso que ocorre entre duas lminas de ferro colocadas dentro de uma bobina. Esses instrumentos apresentam os seguintes componentes bsicos: Fig. 10 A bobina magnetizante; B placa de ferro fixa; C placas de ferro mvel; D ponteiros; E eixo que interliga a placa mvel e o ponteiro; F mola que faz o ponteiro retornar a posio de repouso; G escala graduada; SENAI/SC 10 Medidas Eltricas A figura abaixo uma forma esquemtica do instrumento tipo ferro mvel, onde: Fig.11 A representa a bobina magnetizante; B representa a placa de ferro fixa; C representa a placa de ferro mvel, acoplada ao ponteiro. Observe novamente a figura acrescida da corrente eltrica em circulao: Note que quando a corrente eltrica circula pela bobina A, ser formada um campo magntico, que magnetizar as placas B e C. Como estas placas esto alinhadas na mesma direo, elas se magnetizaro com plos iguais. Por isso a placa mvel C ten- der se afastar (repulso) da placa fixa B, arrastando consigo o ponteiro. Fig. 12 O afastamento da placa mvel C da placa fixa B ser maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver circulando pela bobina. Os instrumentos de medida eltrica tipo ferro mvel funcionam tanto em corrente con- tnua como em corrente alternada. SENAI/SC 11 Medidas Eltricas Corrente contnua Aplicando a regra da mo direita, possvel determinar o sentido do campo magntico na bobina e, conseqentemente, as localizaes dos plos norte e sul nas placas; A corrente contnua no muda de sentido. Por causa desses aspectos, quando se aplica uma corrente continua nos instrumentos eletromagntico de medidas eltricas, tipo ferro mvel, ela entra por uma das pontas da bobina e sai pela outra. 23 4 10 5 N N _BA + Fig. 13 Na figura acima a corrente est entrando pela ponta A e saindo pela ponta B. A formao dos plos se dar de maneira exatamente igual do desenho: -Plo norte na placa fixa e -Plo norte na placa mvel Veja agora se inverter o sentido da corrente, fazendo entrar pela ponta B. 23 4 10 5 S S B+A_ Fig. 14 SENAI/SC 12 Medidas Eltricas Com a inverso da corrente estamos invertendo tambm o sentido do campo magnti- co na bobina, e conseqentemente, a formao dos plos nas extremidades das pla- cas, ou seja: - Plo sul na placa fixa e - Plo sul na placa mvel. Corrente alternada A CA inverte o sentido vrias vezes durante o percurso. Veja, por exemplo, uma CA de 60 Hz. O seu sentido invertido 120 vezes durante um segundo. Portanto, quando aplicamos CA, como se aplicssemos CC, invertendo o sentido muitas vezes. Durante as variaes de CA, ocorrem mudanas no sentido do campo magntico for- mado pela bobina. Conseqentemente a polaridade das placas tambm muda. No entanto, formam-se plos sempre iguais nos extremos das placas fazendo com que estas tenham a tendncia de se repelir mutuamente. Instrumento Eletromagntico do Tipo Ferro Mvel Ampermetro Fig. 15 Como voc pode observar, o instrumento de medida eltrica tipo ferro mvel, quando usado como voltmetro, apresenta os mesmos componentes bsicos. Variam apenas as caractersticas da bobinas e a escala, que nesse caso, graduada em voltas. SENAI/SC 13 Medidas Eltricas Os voltmetros so conectados em paralelo. Por isso, sua bobina deve Ter uma impe- dncia que absorva toda a tenso do ponto a ser medido. Fig. 16 Essa absoro deve ocorrer com menor consumo de energia possvel o consumo essencial para magnetizar a bobina. Por essa razo, as bobinas dos voltmetros tipo ferro mvel so confeccionados com muitas espiras em fio fino. Instrumento Eletromagntico do Tipo Ferro Mvel Voltmetro Fig. 17 Os ampermetros so conectados em srie. Por isso, sua bobina no deve Ter uma impedncia, que absorva parte do potencial da carga. SENAI/SC 14 Medidas Eltricas 2.3 Instrumento do tipo eletrodinmico Os instrumentos do tipo eletrodinmico tem seu principio de funcionamento baseado tambm na lei de atrao e repulso. O seu principio de funcionamento semelhante ao do tipo bobina mvel, com as se- guintes diferenas: -Na bobina mvel, tnhamos plos fixos formados por im permanentes e plos m- veis formados por uma bobina. -No eletrodinmico ambos os plos, fixos e mveis, so formados por bobinas. Esse sistema eletrodinmico apresenta duas variaes: -Eletrodinmico simples -Eletrodinmico de bobinas cruzadas Inicialmente iremos falar do funcionamento dos instrumentos eletrodinmicos simples. Instrumento eletrodinmico simples Basicamente, esses instrumentos so compostos de: A Bobina fixa B Bobina mvel C Ponteiro D Escala graduada Fig. 18 Comapassagemdacorrente,asbobinasapresentampolaridadesiguaisea bobina mvelsedesloca,arrastandoconsigooponteiro.Este,porsuavez,registraumde- terminado valor na escala graduada. Se ocorrer a inverso de um dos sentidos da corrente, ambas as bobinas invertem ao mesmo tempo suas polaridades. Com esta inverso as condies de repulso entre as bobinas no se alteram e a deflexo do ponteiro ocorre sempre na mesma direo. Porapresentarestaversatilidadeemseufuncionamento,osinstrumentoseletrodin- micossimplespodemserusadostantoparacorrentecontnuacomoparaacorrente alternada. Eletrodinmico com bobinas cruzadas Os instrumentos eletrodinmicos tipo bobina cruzada so compostos de: A Bobina mveis cruzada B Bobina fixa C Ncleo de ferro Fig. 19 SENAI/SC 15 Medidas Eltricas Observequeoprincpiodefuncionamentoeletrodinmicocombobinascruzadas compostodeduasbobinasmveisinterligadasentresi,cruzadasecolocadassob influncia do campo magntico da bobina fixa. Ao receber tenso, cada uma das bobinas cria campo magntico prprios que intera- gem e provocam o deslocamento das bobinas mveis, que por sua vez, arrastam o ponteiro a elas acopladas. Fig. 20 O deslocamento das bobinas mveis ser para direita ou para esquerda, de acordo com o valor da corrente em cada uma. Porm quando os valores forem iguais, haver equilbrio e as bobinas se ajustaro sobre um ponto central, como voc pode observar na ilustrao anterior. Quando no conectados rede, os ponteiros deste tipo de instrumento podem tomar qualquer posio sobre sua escala graduada. Dentre os instrumentos de medio temos os seguintes, que utilizam o princpio de funcionamento eletrodinmico: -Wattmetro -Fasmetro e -Megmetro SENAI/SC 16 Medidas Eltricas 3 ERROS 3.1 Definio Segundo a ABNT (NB-278/73) 3.1.1 Erro o desvio observado entre o valor medido e o valor verdadeiro (ou aceito como ver- dadeiro). 3.1.2 Valor Verdadeiro o valor exato da medida de uma grandeza obtido quando nenhum tipo de erro incide na medio. Na prtica impossvel eliminar todos os erros e a obteno de um valor aceito como verdadeiro, que substitui o valor verdadeiro. a medida de uma amostra de um de- terminado nmero de medidas tcnicas, usando o mesmo material e mantendo-se na medida do possvel, as mesmas condies ambientais. Assim: X = Xm Xp = Xm Xv Xm = Valor da grandeza obtido atravs da medida. Xp = Valor padro da grandeza, obtido atravs do mtodo de referncia cons- trudo na prtica. Xv = Valor verdadeiro da grandeza, que um valor ideal, supondo a supresso total de todo o tipo de erro. Na falta de Xv aceita-se Xp, que denominado, ento, de valor de referncia tomado como verdadeiro. 3.1.3 Exatido a caracterstica de um instrumento de medida que exprime o afastamento entre a medida nele observada e o valor de referncia aceito como verdadeiro. 3.1.4 Preciso Refere-seamaioroumenoraproximaodamedidaemtermosde casasdecimais.A preciso, 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 Exatido o limite de erro, garantido pelo fabricante de um instrumento, que se pode cometer em qualquer medida efetuada pelo mesmo. 3.1.6 ndice de Classe (IC) Nmero que designe a classe de exatido, o qual deve ser tornado como uma porcen- tagem do valor de plena escala de um instrumento. SENAI/SC 17 Medidas Eltricas 3.1.7 Erro Absoluto a diferena algbrica entre o valor medido (Xm) e o valor aceito como verdadeiro (Xv). Assim, pose-se dizer que o valor verdadeiro situa-se entre: Xm X < Xv < Xm + X Neste caso, X o limite mximo do erro absoluto ou simplesmente erro absoluto. Assim, diz-se que: Se X>Xv, o erro por excesso e, Se X