5 medições elétricas

Medições elétricas; Sensores elétricos; Instrumentos de medida;

1. Análise de circuitos elétricos CC e CA Pedro Barros Neto
5 - MEDIÇÕES ELÉTRICAS
Os instrumentos para medições elétricas são dispositivos adequados a sensorear e indicar
visualmente, na forma analógica ou digital, uma determinada grandeza. As duas principais
grandezas são:
•Tensão V , em volt V.
•Corrente I , em ampere A.
O instrumento para medição de potência é construído com a combinação de voltímetro e
amperímetro.
Em CA, a tensão e a corrente são indicadas em valores eficazes r.m.s., a frequência f
em hertz Hz, e a potência é indicada em valor eficaz ou potência ativa P, em watt W,
potência aparente S,em volt-ampere VA, e potência reativa Q, em volt-ampere reativo
VAR.
O sensoreamento de corrente e tensão pode ser feito com os seguintes dispositivos:
1.Galvanômetro (corrente e tensão – eletromecânico).
2.Disco de torque (energia – eletromecânico).
3.Balança eletromagnética (corrente em laboratório).
4.Célula Hall (corrente CC/CA).
5.Elemento bimetálico (demanda de corrente CC/CA).
6.Resistor em série com a carga, ou shunt (corrente pela lei de Ohm).
7.Resistor em paralelo com a carga (tensão por divisor de corrente).
8.Transformador de potencial (alta tensão).
9.Transformador de corrente (alta corrente).
Os sensores de 4 a 9 podem ser usados com instrumentos de indicação analógica ou digital, além de
sistemas eletrônicos de controle.
Os tipos de instrumentos eletromecânicos de painel e seus parâmetros são mostrados na figura
5 – 01:
Tipos de escalas dos instrumentos analógicos - escala com zero no lado esquerdo do mostrador, o
ponteiro tem movimento horário na amplitude de 90° ou 240°, e se for com o zero central, a
deflexão pode ser de ±120°.
Linearidade das escalas dos instrumentos analógicos – dependendo do tipo de sensor, a escala do
instrumento pode ser:
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•Linear – os valores são diretamente proporcionais ao ângulo de inclinação do ponteiro
fazendo com que as divisões no mostrador fiquem espaçadas igualmente para a mesma
quantidade medida.
•Não linear – os valores indicados não são proporcionais ao ângulo de inclinação do ponteiro:
as divisões são espaçadas diferentemente para a mesma quantidade medida.
Fatores importantes para a utilização de instrumento analógico
•Classe de precisão – qualidade intrínseca do instrumento, dada em porcentagem, que
depende dos materiais e do método de fabricação. É escolhida para o tipo de aplicação:
◦de0,1%a0,5% - laboratório.
◦1% - instrumentos portáteis CC.
◦1,5% - instrumentos portáteis CA.
◦2a5% - instrumentos para painéis.
•Zeramento – antes de fazer uma medição deve ser feito o zeramento com o instrumento
desligado.
•Fundo de escala – maior valor que pode ser medido pelo instrumento.
•Sensibilidade – a aplicação do instrumento deve ser definida para que o valor nominal da
grandeza a ser medida fique a ¾ do fundo de escala.
•Resolução – o menor valor indicado pelo instrumento.
•Erro de observação (paralax) – ocorre nos instrumentos eletromecânicos, em função da
distância entre o ponteiro e o mostrador, e a leitura mais precisa se dá quando o observador
está exatamente de frente para o instrumento.
Galvanômetro d’Arsonval - É um instrumento eletromecânico, de medição
e indicação analógica, composto de uma bobina móvel G, de baixa
resistência, presa num eixo pivotado e solidário com um ponteiro e uma
mola espiral plana.
Esse conjunto fica imerso num campo magnético (sapatas polares) e vai
reagir à passagem da corrente elétrica, num movimento giratório (torque)
contra a força da mola.
Para uso em CC as sapatas polares são os polos de um ímã, e para uso
em CA o ímã é substituído por eletroímã, de forma que as polaridades
magnéticas se alternam simultaneamente na bobina e nas sapatas polares.
O galvanômetro CC, com uma ponte retificadora de diodos, pode ser utilizado para medições
em CA.
O zeramento mecânico do ponteiro é feito com o instrumento desligado, através de um parafuso que
ajusta a posição de ancoragem da mola.
Parâmetros principais:
•I
Gmáx– corrente de fundo de escala.
•R
G – resistência da bobina.
•V
Gmáx
=I
Gmáx
.R
G (tensão de fundo de escala).
•Frequência Hz.
Amortecimento – técnica empregada para evitar oscilação espúria do ponteiro do instrumento
analógico, através de dispositivo mecânico (palheta imersa em fluído denso) ou elétrico (corrente
parasita de Foucault).
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Medição de resistência elétrica: Ohmímetro.
O Ohmímetro pode ser eletromecânico ou eletrônico, e ter as indicações analógicas ou digitais. É
um instrumento que mede a corrente que passa por um resistor, sob uma tensão de valor conhecido
e fornecida por bateria do próprio instrumento. A indicação do valor da resistência medida é
resultado da aplicação da Lei de Ohm: R=
V
I
e a precisão dependerá do valor da tensão da
bateria e da precisão dos resistores do circuito interno.
Medição da corrente I – para baixas correntes, é feita de forma direta, com o amperímetro
ligado em série no circuito.
Amperímetro CC ou CA - É composto de um galvanômetro G em paralelo com um resistor
R
p ou shunt, com potência adequada à faixa de corrente a ser medida, e com resistência menor
do que a resistência da bobina R
G, formando um divisor de corrente, onde a maior parte da
corrente passará pelo resistor em paralelo, de forma que, pela bobina, somente passará a corrente
I
Gmáx. O valor de R
p dependerá do valor da corrente máxima a ser aplicada diretamente no
instrumento:
I
MÀX
=I
GMÀX
(R
P+R
G)
R
P
. O galvanômetro, de fato, estará
medindo a queda de tensão, em milivolts, sobre R
p, mas sua
escala é graduada em ampere.
O amperímetro ideal tem resistência “zero”R
G
=0Ω, portanto,
com queda de tensão nula: Vd
G
=0V
•Sensoreamento para medição de altas correntes (forma
indireta) figura 5 - 04:
◦Em CC, utiliza-se o resistor “shunt”, com resistência na ordem de décimos de Ohm,
instalado permanentemente em série com a carga.
◦Em CA, utiliza-se transformador de corrente TC, instalado permanentemente em
série com a carga. Aqui vale a restrição da baixíssima impedância Z@f∼0Ωpara a
frequência de trabalho.
Parâmetros dos sensores:
•Resistor “shunt”:
◦queda de tensão mV=(R
SH)I
◦máxima corrente I
max.
◦Classe de precisão %.
•TC:
◦relação de corrente primária e secundária
I
P
I
S
.
◦Frequência Hz.
◦classe de isolamento KV .
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Medição de tensão – feita com o voltímetro, que deve ser ligado em paralelo no circuito (figura 5 –
03).
Voltímetro CC ou CA - é composto de um galvanômetro G em série com um resistor
R
s, com potência adequada à faixa de medição, e com R
S
≫R
G. Esse conjunto forma um
divisor de tensão, onde a queda de tensão maior será sobre o resistor em sérieVd
RS e apenas uma
pequena queda de tensão apareça sobre a bobina Vd
G, na faixa de milivolt. A tensão de fundo de
escala é dada por V
MÁX=I
GMÁX(R
S+R
G)e o valor deR
sserá R
S
=
V
MÁX
I
GMÁX
−R
G
.
O galvanômetro, de fato, está medindo a corrente, em miliamperes, mas sua escala é graduada em
volts.
O voltímetro ideal tem resistência “infinita”R
G
=∞, portanto, sem drenar corrente: I
G
=0A.
•Sensoreamento para medição de altas tensões CA (forma indireta) figura 5 - 04:
◦Em CA, utiliza-se transformador de potencial TP, instalado permanentemente em
paralelo com a carga. Aqui vale a restrição da altíssima impedância Z@f∼∞para a
frequência de trabalho.
Parâmetros do TP:
◦Relação de tensão primária e secundária.
◦Frequência Hz.
◦Classe de tensão.
Medição de potência elétrica CC: feita com o wattímetro, que é uma combinação de
amperímetro e voltímetro, portanto deve ser ligado conforme esses dois instrumentos, e seu
funcionamento segue também os princípios desses instrumentos. O valor indicado é dado por:
P=V.I em Watts.
Medição de frequência elétrica CA: frequencímetro.
Instrumento eletromecânico – Constituído de uma série de lâminas vibratórias, calibradas para
ressonarem nas frequências ao redor da frequência central, quando submetidas ao campo magnético
de uma bobina ligada em CA. As extremidades das lâminas são voltadas para o observador, e a
vibração de uma lâmina, correspondente a uma determinada frequência, faz com ela apareça mais
destacada do que as outras no visor do instrumento. São adequados para baixas frequências.
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5. Análise de circuitos elétricos CC e CA Pedro Barros Neto
Instrumento eletrônico – Constituído de um circuito eletrônico detector de “passagem por zero”.
São mais precisos e podem ser utilizados para qualquer faixa de frequência.
Indicador de sequência de fase: Fasímetro.
Indica o sentido correto das fases, para a energização de motores bifásicos ou trifásicos, que devem
girar num sentido predeterminado.
Medição de potência elétrica CA:
•Potência Ativa W P=V.I.cosϕ: medida com watímetro, que na versão para
indicação analógica é um instrumento eletrodinâmico cruzado.
•Potência Aparente VA S=V.I : medida com o varímetro, através de voltímetro e
amperímetro, independentes.
•Fator de potência cosϕ=
P
S
: medida com o cosfímetro , que é uma combinação de
watímetro com voltímetro e amperímetro, todos independentes. O instrumento pode ter
escala com zero central, para informar o tipo da carga reativa: indutiva ou capacitiva. Na
versão para indicação analógica é um instrumento eletrodinâmico cruzado.
•Potência Reativa VAR Q=(V.I)senϕ: medida com o varímetro. O instrumento
pode ter escala com zero central, para informar o tipo da carga reativa: indutiva ou
capacitiva.
•Energia elétrica Kwh – utilizam-se medidores eletromecânicos (disco de torque), ou
medidores eletrônicos.
Categoria dos instrumentos portáteis IEC 61010 (EN61010) – são quatro categorias baseadas na
distância entre o local da utilização e a fonte de energia elétrica, para garantir a segurança do
usuário desse tipo de instrumento em relação aos transientes, que são amortecidos pela impedância
dos condutores e transformadores.
•Cat. I – Aparelhos eletrônicos.
•Cat. II – Cargas conectadas a tomadas monofásicas.
•Cat. III - Distribuição trifásica, inclusive iluminação comercial monofásica.
•Cat. IV - Trifásico na conexão da rede elétrica pública; qualquer condutor ao ar livre.
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