TRABALHO ELETROTECNICA

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVESIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO AMBIENTE
INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICA: ANALÓGICOS E DIGITAIS
HOSANA SANTOS OLIVEIRA
ÍTALO FRANCISCO BALBINOT
Marabá/PA
Novembro/2015
HOSANA SANTOS OLIVEIRA
ÍTALO FRANCISCO BALBINOT
INSTRUMENTOS DE medidas elétrica: analógicos e digitais
Trabalho realizado como revisão bibliográfica sobre o tema: “Instrumentos de medidas elétrica: analógicos e digitais”, da disciplina Eletrotécnica, ministrada pelo Prof. Msc. Nadson Welkson para a turma FEMMA 2013, na Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará.
Marabá/PA
Novembro/2015
INTRODUÇÃO
As medidas elétricas só podem ser aferidas com a utilização de instrumentos medidores, que permitem a mensuração de grandezas cujos valores não poderiam ser alcançados através dos sentidos humanos. A principal forma de classificar os instrumentos de medidas elétricas diz respeito à forma como as medidas são apresentadas. Assim, existem os instrumentos digitais, nos quais a medida é expressa diretamente por dígitos numéricos, e os analógicos, onde a leitura é feita através de comparação. O presente trabalho apresenta conceitos básicos de como é realizada as medidas elétricas e os principais aparelhos utilizados. 
CONCEITOS BÁSICOS
A medição é um conjunto de operações, manuais ou automatizadas, que visa comparar uma grandeza como outra da mesma espécie, a qual é tomada como unidade padrão, e determinando o seu valor momentâneo. Mede-se para estabelecer a extensão, o grau, a qualidade, as dimensões ou capacidade com relação a um padrão, ou seja, para estimar.
Observa-se que, para toda grandeza, existe um padrão básico correspondente, ou seja, para o tempo, velocidade, luminosidade, força, comprimento, corrente elétrica, etc. No processo de medida, a grandeza que serve de comparação é denominada de grandeza “padrão” e deve ser estabelecida de tal forma que apresente as seguintes características: permanência, reprodutibilidade. O processo de medição frequentemente provoca uma perturbação na grandeza a ser avaliada. Sendo assim, uma vez que não se pode evitar a modificação introduzida pelo instrumento de medida, procura-se minimizá-la. Pelo exposto, verifica-se que a leitura ou indicação de um medidor sempre estará sujeita a erros e incertezas, tanto nos instrumentos analógicos, quanto nos digitais. De acordo com a causa, ou origem, dos erros cometidos nas medidas, estes podem ser classificados em: grosseiros, sistemáticos e acidentais. E de acordo com suas características, estes podem ser classificados em: constantes, aleatórios e periódicos.
Natureza do instrumento é a característica que o identifica de acordo com o tipo de grandeza mensurável pelo mesmo. Exemplo: amperímetro, voltímetro, wattímetro, etc. Os primeiros instrumentos utilizados para medidas de grandezas elétricas eram baseados na deflexão de um ponteiro acoplado a uma bobina móvel imersa em um campo magnético. Uma corrente aplicada na bobina produz o seu deslocamento pela força de Lorentz. Um mecanismo de contrarreação (em geral uma mola) produz uma força contrária de modo que a deflexão do ponteiro seja proporcional à corrente na bobina. Estes instrumentos analógicos estão em desuso em função de suas qualidades inferiores se comparadas as dos instrumentos digitais (imprecisões de leitura, fragilidade, desgaste mecânico, difícil automação de leitura, etc.).
Os instrumentos digitais atuais são inteiramente eletrônicos, não possuindo partes móveis (exceto seletores de escala e teclas). São mais precisos, estáveis e duráveis. São baseados em conversores analógico/digital (A/D) e são facilmente adaptáveis a uma leitura automatizada. Além disso, o custo dos instrumentos digitais é em geral inferior (com exceção dos osciloscópios). Um instrumento digital é aquele no qual há uma conversão dos sinais analógicos de entrada em dados digitais, onde esse instrumento digital mais evidente é o seu display.
Um instrumento analógico é aquele no qual o deslocamento angular de um ponteiro representa a magnitude da grandeza a ser medida; ou seja, uma calibração é usada de tal modo que o deslocamento angular é transformado no valor da grandeza a ser medida, por exemplo, voltagem. Os termos analógico e digital referem-se à forma de apresentação do sinal ou da indicação e não ao princípio de funcionamento do instrumento.
CLASSIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS
Os instrumentos de medidas elétricas podem ser classificados de várias formas, de acordo com o aspecto considerado quanto à grandeza a ser medida, forma de apresentação dos resultados, capacidade de armazenamento das leituras, principio físico utilizado para a medida e finalidade de utilização.
Quanto à grandeza
Cada instrumento possui uma finalidade especifica. Assim com o amperímetro encontra-se a corrente, o voltímetro a tensão, o walttímetro a potência ativa, o ohmímetro a resistência, capacímetro a capacitância e assim por diante.
Apresentação dos resultados
Os resultados podem ser apresentados por duas maneiras, analogicamente e digitalmente (figura 1). Os aparelhos que mostram resultados analógicos possuem leitura de maneira indireta, ou seja, usualmente é feita através do posicionamento de um ponteiro sobre uma escala. Aparelhos que reproduzem resultados digitais fornecem a leitura em forma alfanumérica em um display. Em virtude da praticidade, os instrumentos digitais ganham a cada dia mais destaque entre os dispositivos de medidas elétricas, pois oferecem melhor comodidade para o operador na leitura diretamente no display sem que tenha que deduzi-lo a partir de um ponteiro sobre uma escala. Contudo, a utilização de medidores analógicos ainda é muito intensa devido a fatores tais como:
Grande número de instrumentos de oficinas e painéis de controle de indústrias ainda tem por base instrumentos analógicos; 
Instrumentos analógicos são mais robustos que os digitais, tornando-os mais apropriados em determinadas situações.
Em algumas aplicações onde há variações rápidas da grandeza a ser medida, é mais interessante observar o movimento de um ponteiro do que tentar acompanhar a medida através de dígitos. 
Figura 1: Formas de apresentação de resultados: Analógico e digital
Capacidade de armazenamento
Quanto à capacidade de armazenamento das leituras os aparelhos podem ser: indicadores (figura 2(a)), que apenas fornecem o valor da medida realizada instantânea; registradores (figura 2(b)), que são capazes de armazenar certo número de leituras; totalizadores (figura 2(c)), que apresentam o valor acumulado da grandeza medida.
Figura 2: Instrumentos classificados segundo à capacidade de armazenamento de leitura. (a) multímetro analógico; (b) registrador-medidor de energia ativa eletrônico; (c) totalizador - medidor analógico;
Principio físico utilizado para a medida
Bobina móvel, ferro móvel, eletrodinâmico, bobinas cruzadas, indutivo, ressonante e eletrostático. Esses tipos de medidores são tipicamente analógicos, visto que os aparelhos digitais utilizam na maioria dos casos circuitos eletrônicos comparadores.
Finalidade
Quanto à finalidade os instrumentos podem ser utilizados em laboratórios e na indústria. Na parte laboratorial a exatidão e precisão devem ser priorizadas, na indústria os aparelhos devem ser mais robustos para que suportem o trabalho nas mais diversas condições.
INSTRUMENTOS ANALÓGICOS
Um instrumento analógico é aquele no qual o deslocamento angular de um ponteiro representa a magnitude da grandeza a ser medida; ou seja, uma calibração é usada de tal modo que o deslocamento angular é transformado no valor da grandeza a ser medida. Tem como fundamentação básica a medida de corrente (amperímetro), adaptações feitas neste medidor permitem que seja usado para a medida de outras grandezas, como tensão e resistência.
Os instrumentos analógicos baseiam sua operação em algum tipo
de fenômeno eletromagnético ou eletrostático, como a ação de um campo magnético sobre uma espira percorrida por corrente elétrica ou a repulsão entre duas superfícies carregadas com cargas elétricas de mesmo sinal. São, portanto, sensíveis a campos elétricos ou magnéticos externos, de modo que muitas vezes é necessário blindá-los contra esses tais campos.
Figura 3: Multímetro analógico.
O mecanismo de suspensão é a parte mais delicada de um instrumento analógico. É ele quem promove a fixação da parte móvel (geralmente um ponteiro) e deve proporcionar um movimento com baixo atrito. 
Os instrumentos analógicos mais utilizados são de: ferro móvel, bobina móvel (D´Ansorval) e o eletrodinâmico.
Instrumento ferro móvel: são muito utilizados como instrumentos de painel, são instrumentos de baixo custo, mas em compensação sua precisão é ruim, por isso, são usados mais na indicação de faixas de trabalho ou simplesmente para saber se existe ou não um sinal elétrico.
O princípio de funcionamento do instrumento tipo ferro móvel se dá quando duas barras de ferro adjacentes são magnetizadas (através da corrente em uma bobina na qual as barras estão inseridas) de maneira uniforme, surge uma força de repulsão entre ambas uma vez que as duas adquirem a mesma polarização magnética. Usando uma das barras fixas e outro móvel, adaptando-se um ponteiro na barra móvel, consegue-se, através de uma escala previamente calibrada, ler o valor da voltagem ou corrente aplicada na bobina. 
Figura 4: Medidor de ferro móvel
Instrumento bobina móvel: O mais utilizado instrumento analógico, também chamado galvanômetro de D’Ansorval. Nesse instrumento, uma bobina retangular está adaptada a um cilindro, que por sua vez está imerso em um campo magnético permanente, gerado por um imã. Quando uma corrente elétrica é aplicada na bobina (condutor) tem-se a interação entre essa corrente e o campo magnético gerado pelo imã; assim, caracteriza-se uma situação física por demais conhecida: condutor percorrido por corrente elétrica na presença de campo magnético. O resultado é o surgimento de força sobre o condutor, como a corrente elétrica muda de sentido em cada lado da bobina, a força também muda de sentido.
Figura 5: Instrumento de Bobina móvel imã Permanente
Instrumento eletrodinâmico: Estes instrumentos baseiam-se na ação mútua entre dois condutores percorridos por corrente elétrica. Quando as correntes forem de mesmo sentido haverá uma força de atração entre eles e quando forem de sentidos opostos os dois condutores sofrerão uma ação de repulsão entre si. Estas forças ocorrem devido ao efeito eletromagnético que é aparição de uma força magnética causada pela circulação de corrente elétrico em um condutor. 
Este instrumento é composto de duas bobinas, uma fixa e outra móvel. Ao circular corrente por estas bobinas, surgem dois campos magnéticos e consequentemente forças que tenderão a alinhar-se ficando com mesma direção e sentido. Esta tendência de alinhamento causa o surgimento de um momento que atuará sobre a bobina móvel. Este motor que atua sobre a bobina móvel pode ser expresso por:
MM=CIFIM
Onde:
C = coeficiente que depende do número de espiras, das dimensões e formas e posição mútua das mesmas.
IF = corrente elétrica que circula na bobina fixa.
IM = corrente elétrica que circula na bobina móvel
O par contrário (reação) criado pela mola é expresso por MANT = αω. Enquanto não houver igualdade entre os pares antagônicas (contrários) a bobina móvel girará. No momento que houver esta igualdade a bobina deixará de se mover, ou seja:
MM = MANT → CIFIM = αω → α = 
E, portanto, como podemos ver, o ângulo de deflexão da bobina móvel depende do produto das correntes que circulam pelas bobinas fixa e móvel, além disso o número de espiras da bobina fixa é muito inferior ao da bobina móvel. O ponteiro indicador se encontra preso sempre a bobina móvel assim como o sistema de amortecimento do ponteiro que neste instrumento ainda é tipo pneumático. E devido a seus a seus aspectos construtivos podemos ler tanto sinais alternados como contínuos. Evitamos o uso de ferro como matéria do núcleo para evitar os efeitos indesejáveis de histerese e perda Foucault.
Figura 6: Instrumento Eletrodinâmico.
INSTRUMENTOS DIGITAIS 
Se nos instrumentos analógicos o modelo básico é o amperímetro, a operação dos aparelhos digitais tem como fundamento a medida de tensão (voltímetro). A alteração da configuração inicial permite que sejam medidas outras grandezas, como corrente, resistência, frequência, temperatura e capacitância. A característica básica dos instrumentos digitais é a conversão dos sinais analógicos de entrada em dados digitais. Esta conversão análogo-digital (ou A-D) é realizada por meio de circuitos eletrônicos. Como no caso dos instrumentos analógicos, esta característica está relacionada à capacidade de diferenciar grandezas com valores próximos entre si.
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
Basicamente os instrumentos digitais tem a característica de converter os sinais analógicos de entrada em dados digitais. Essa conversão é realizada por circuitos eletrônicos. A parte mais evidente de um instrumento digital é seu visor (display), que pode ser de LED ou LCD.
Figura 7: Tipos de displays. (a) Voltímetro de corrente continua - LED; (b) Multímetro digital – LCD
Os visores de LED (Light Emiting Diodes) (figura 3(a)) são dispositivos semicondutores capazes de emitir luz quando percorridos por corrente elétrica. Esses displays têm fundo escuro, para proporcionar maior destaque ao brilho dos LEDs. Os displays de LED possuem algumas vantagens: Os resultados podem ser vistos a qualquer ângulo e em distancias maiores, possuem alta durabilidade, podem ser manuseados em ambientes com pouca luz e pode ser utilizado em condições ambientais mais diversas. A desvantagem fica por conta que seu consumo de energia é bem mais elevado em relação aos LCDs e sob luz solar a leitura dos dados é dificultada.
Já os visores de LCD (Liquid Crystal Display) (figura 3(b)), constituídos por duas lâminas transparentes de material polarizador de luz, com eixos polarizadores alinhados perpendicularmente entre si; entre as lâminas existe uma solução de cristal líquido, cujas moléculas podem se alinhar sob a ação da corrente elétrica, impedindo a passagem da luz. Os displays de LDC possuem vantagem por permitirem a leitura em ambientes externos, mesmo sob incidência direta de luz solar e seu consume de energia é muito baixo. As desvantagens ficam por conta do tempo de resposta em baixas temperaturas e seu uso em lugares com pouca luz exige uma iluminação de fundo.
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS 
Resolução
Semelhante aos instrumentos analógicos, esta característica está relacionada à capacidade de diferenciar grandezas com valores próximos entre si. Em um instrumento digital, a resolução é dada pelo número de dígitos ou contagens de seu display. Um instrumento com 31/2 dígitos tem 3 dígitos “completos” (isto é, capazes de mostrar os algarismos de 0 até 9) e 1 “meio dígito”, que só pode apresentar 2 valores: 0 (nesse caso o algarismo está “apagado”) ou 1; portanto, este instrumento pode contar até 1999. Outro instrumento de 41/2 dígitos tem maior resolução, pois pode apresentar 19999 contagens. Instrumentos com contagem de 3999 (31/4 dígitos), 4999 (31/5 dígitos) ou 6999 (31/7 dígitos) também são fabricados, até com resoluções maiores.
Exatidão
Como os instrumentos analógicos, a exatidão dos medidores digitais informa o maior erro possível em determinada condição de medição. É expresso através de percentual da leitura do instrumento. Se um instrumento digital com 1% de exatidão está apresentando uma medida de 100 unidades em seu display, o valor verdadeiro estará na faixa de 99 a 101 unidades. A especificação da exatidão de alguns instrumentos inclui o número de contagens que o dígito mais à direita pode variar. Assim, se um voltímetro tem exatidão de ± (1% + 2) e seu display mede 220 V, o valor real pode estar entre 217,78 e 222,22
V.
Categoria 
Esta característica diz respeito à segurança, tanto do instrumento em si como de seu operador. Não basta que a proteção se dê pela escolha de instrumento com escalas com ordem de grandeza suficiente para medir o que se quer: é necessário levar-se em consideração, ainda, a possibilidade da existência de transientes de tensão, que podem atingir picos de milhares de volts em determinadas situações.
Os instrumentos digitais são hierarquizados em categorias numeradas de I a IV, cada uma delas abrangendo situações às quais o medidor se aplica (figura 4). A categoria I é destinada a equipamentos eletrônicos de baixa energia com proteção que limita efeitos dos transientes e para qualquer fonte de alta tensão e baixa energia derivada de um transformador de resistência de alto enrolamento. A categoria II é para aparelhos e ferramentas portáteis com saídas e circuitos ramificados longos. A categoria III é destinada a equipamentos em instalações fixas (motores trifásicos e aparelhagem de comutação), dispositivos de painel de distribuição, saídas de aparelhos pesados com conexões curtas à entrada de serviço e sistemas grandes de iluminação. Por fim a categoria IV é disposta para a origem da instalação (onde se faz a conexão de baixa tensão com a energia da fornecedora de energia), medidores de eletricidade, ramal de ligação do poste ao prédio e linha subterrânea que vai a uma bomba de poço.
Figura 8: Categorias dos instrumentos de medidas elétricas
INSTRUMENTOS BÁSICOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS
WATTÍMETRO
O wattímetro é um instrumento desenvolvido para medição de potência elétrica fornecida ou dissipada por um elemento. Um Wattímetro é considerado ideal quando medir a tensão sem desvio de qualquer fluxo de corrente, e medir a corrente sem introduzir qualquer queda de tensão aos seus terminais. Os wattímetros analógicos (figura 5(a)) possuem duas bobinas, uma para a medida de tensão (também chamada bobina de potencial) e outra para medir a corrente (bobina de corrente). O aparelho é construído de tal forma que o ponteiro indica o produto dessas duas grandezas multiplicado, ainda, pelo cosseno da defasagem entre elas (fator de potência). Nos wattímetros digitais (figura 5(b)), um circuito eletrônico calcula, por amostragem, tensão e corrente eficazes e, através delas, a potências ativa. 
Figura 9: Wattímetro - (a) Analógico; (b) Digital.
MEDIDOR DE ENERGIA ATIVA ANALÓGICO DE INDUÇÃO
Popularmente chamado “relógio de luz”, este é um medidor de energia ativa, utilizado tradicionalmente pelas concessionárias de energia elétrica para aferir o consumo das instalações elétricas. Sua construção é semelhante à do wattímetro, tendo uma bobina de potencial e outra de corrente.
É cada vez mais frequente a instalação de medidores de energia eletrônicos, porém ainda são muito numerosos os analógicos, também chamados de ponteiro. A leitura destes exige atenção, pois os diversos ponteiros giram em sentidos opostos; começa-se pelo último ponteiro e vai-se anotando o último algarismo ultrapassado pelo ponteiro.
Figura 10: Medidor analógico. (a) estrutura interna; (b) leitura
OSCILOSCÓPIO
O osciloscópio é um instrumento de medida destinado a visualizar um sinal elétrico. É um instrumento muito sensível à tensão, permite obter os valores instantâneos de sinais elétricos rápidos, a medição de tensões e correntes elétricas, e ainda frequências e diferenças de fase de oscilações. Por tudo isto, este é um aparelho muito utilizado por diversos profissionais, em aplicações tão variadas como a reparação de televisores, a análise do funcionamento das unidades eletrônicas de controlo dos automóveis, a análise de vibrações (de um motor, por exemplo), o projeto de circuitos de condicionamento de sinal (para sistemas de instrumentação, por exemplo) ou sistemas biomédicos.
No nível de grandezas elétricas que podem ser medidas pelo osciloscópio, as mais comuns são: Período e frequência, amplitude de tensão e defasamento. 
Os osciloscópios analógicos funcionam aplicando (quase) diretamente a tensão medida a duas placas (horizontais) que criam um campo elétrico, provocando o desvio (vertical, dado que as placas são horizontais) de um feixe de elétrons que se desloca para o écran. Isto permite observar o valor da amplitude do sinal no eixo vertical. Os osciloscópios digitais retiram amostras do sinal original, estas que são convertidas para um formato digital (binário) através da utilização de um conversor analógico/digital. Esta informação digital é armazenada numa memória e seguidamente reconstruída e representada no écran (tal como num computador). Em muitas aplicações, pode utilizar-se tanto um osciloscópio analógico como um digital. Contudo, cada um deles possui características particulares, tornando-os mais ou menos adequados para uma dada tarefa.
Figura 11: Osciloscópios. (a) Digital; (b) Digital Portátil; (c) Analógico.
MULTÍMETRO
Destinado a medir e avaliar grandezas elétricas, um multímetro é um instrumento que pode ter mostrador analógico (de ponteiro) ou digital. O modelo com mostrador digital funciona convertendo a corrente elétrica em sinais digitais através de circuitos denominados conversores analógico-digitais. Nos dois modelos, um sistema de chave mecânica ou eletrônica divide o sinal de entrada de maneira a adequar a escala e o tipo de medição.
AMPERÍMETRO
 É um medidor de grandezas elétricas, esse instrumento é usado para medir a intensidade de corrente que circula numa malha de circuito. De modo que a mesma corrente de malha passe a circular pelo amperímetro, este é inserido em série com o circuito. Suas características essenciais são a impedância de entrada (idealmente 0), baixa queda de tensão interna (idealmente 0).
Deste modo a corrente original do circuito é preservada e o erro introduzido e minimizado. Os amperímetros digitais são na medição de tensão em uma resistência conhecida e de baixo valor.
VOLTÍMETRO 
É um medidor de grandezas elétricas usado para medir a diferença de potencial elétrico entre dois nós de um circuito. É conectado em paralelo com nós do circuito a ser medido. Tem como características essenciais a alta impedância de entrada (idealmente ∞) e baixa corrente de entrada (idealmente 0).
A utilização de circuitos de entrada baseados em transistores MOSFET permite facilmente a obtenção dessas características dentro da faixa útil do instrumento. Sendo a impedância típica de entrada de um MOSFET de sinal de ordem de 1012Ω, usa-se normalmente um resistor de alto valor (10MΩ-100MΩ) em paralelo para evitar que cargas estáticas ou ruído eletromagnético indiquem um valor diferente de zero quando o voltímetro está desconectado. Na maioria dos casos esta impedância de entrada pode ser desconsiderada. Entretanto, na medição de circuitos de alta impedância deve-se levar em conta o valor dessa resistência em paralelo com o circuito e a corrente e de baixo valor.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
NEVES, E. G. C; MÜNCHOW, R. Caderno Didático – Eletrotécnica –Capitulo 06 – Medidas Elétricas. Vol. 1. Universidade Federal de Pelotas (UFPEL).
Instrumentos de medidas elétricas. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/eng04030/Aulas/teoria/cap_01/instrume.htm>. Acesso em 15/10/2015.
LEÃO, F.B. Introdução a medidas elétricas. Disponivel em: <http://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/capitulo-1_medidas-eletricas_fabiobleao.pdf>. Acesso em 15/10/2015.
Alves, M.F. Abc do osciloscópio. Disponível em: <http://www.ceset.unicamp.br/~leobravo/TT%20305/O%20Osciloscopio.pdf>. Acesso em 15/10/2015.
Belchior, F. N. Medidas Elétricas. Universidade Federal de Itajubá - Instituto de Sistemas Elétricos e Energia. Minas Gerais, 2014.