Medidas Elétricas

Prévia do material em texto

Instrumentos de Medidas Elétricas 
Disciplina: Instrumentação Industrial 
Professor: Willian Martins Leão 
Instrumentos de Medidas Elétricas 
• Podem ser classificados quanto a grandeza a ser medida como: 
– amperímetro (corrente); 
– voltímetro (tensão); 
– wattímetro (potência ativa); 
– varímetro (potência reativa); 
– fasímetro ou cosifímetro (defasagem entre tensão e corrente ou cos ϕ); 
– ohmímetro (resistência); 
– capacímetro (capacitância); 
– frequencímetro (frequência). 
Instrumentos de Medidas Elétricas 
ANALÓGICOS DIGITAIS 
• Podem ser classificados quanto a indicação: 
Tipos de Instrumentos quanto à indicação 
ANALÓGICOS 
• Sua operação é baseada em algum 
fenômeno eletromagnético ou 
eletrostático. 
• A leitura é feita de maneira indireta, 
usualmente através do posicionamento 
de um ponteiro sobre uma escala 
graduada. 
• Em geral, são mais robustos que os 
instrumentos digitais. 
DIGITAIS 
• Sua operação é baseada na conversão dos 
sinais analógicos de entrada em dados 
digitais, através majoritariamente circuitos 
eletrônicos comparadores 
• A leitura é apresenta a contagem na forma 
de dígitos (n completos + 1 incompleto) 
através de display de LEDs ou LCD. 
• A leitura desses é mais cômoda ao 
operador. 
• Há uma redução dos preços nos últimos 
anos. 
INSTRUMENTOS ANALÓGICOS 
Galvanômetro 
• No caso dos instrumentos analógicos a base de seu 
funcionamento é um medidor de correntes muito baixas 
chamado de Galvanômetro de Bobina Móvel ou Galvanômetro 
de D'Arsonval (1820). 
• Esse consiste de uma bobina que pode ser movimentada e que 
está colocada entre os polos de um imã. 
Medidor de Bobina Móvel 
• É um tipo de galvanômetro construído com uma bobina de fio 
muito fino montada em um eixo móvel, e instalada entre os polos 
de um ímã permanente. 
• É baseado na força magnética sobre carga elétricas em 
movimento no interior de um campo magnético. 
 
 
 
 
Medidor de Bobina Móvel 
• Baixo consumo próprio. 
• Alta sensibilidade. 
• São capazes de medir corrente média; 
• São usados em corrente contínua (ou alternada com um retificador); 
• São instrumentos polarizados. 
• Apresenta erros consideráveis caso a forma de onda da CA não seja 
puramente senoidal. 
• Eles são feitos para suportarem correntes muito pequenas da ordem 
de µA ou mA. 
 
 
 
Resistor Shunt 
• Nas situações que a corrente exigida for maior que o fundo 
de escala, é possível utilizar um resistor de derivação 
conhecido por resistor shunt (paralelo). 
 
 
• Há duas maneiras de ser utilizados: 
– Em conjunto com um medidor de corrente; 
– Em conjunto com um medidor de tensão; 
 
Resistor Shunt 
• Exemplo: Um resistor Shunt 50A 75mV utilizando um 
voltímetro para medir corrente. 
– A medida de corrente será a medida de tensão sobre o resistor shunt 
vezes o ganho do resistor em A/V. 
– Nesse caso, o ganho é aproximadamente 666,67. 
 
 
 
Resistor Shunt 
• Exemplo: Um resistor Shunt 50A 75mV para amperímetro de 
painel. 
 
 
 
 
𝐼0 =
𝐼 ⋅ 𝑅𝑆
𝑅𝑆 + 𝑅0
⇒ 𝐼 = 𝐼0 ⋅ 1 +
𝑅0
𝑅𝑆
 
 
 
A dificuldade desse 
método é encontrar a 
resistência do instrumento 
com precisão já que essa 
é na ordem de poucos Ω. 
Exemplo Bobina Móvel 
• Medidor do tipo bobina móvel da Kron 
– BK 72 / 96 / 144 (C.C.); 
– BK 72R / 96R / 144R (C.A.); 
– Os instrumentos bobina móvel, são utilizados para medir corrente e 
tensão contínua. Sua principal característica é o seu baixo consumo. 
Conectados a conversores de medida (.../ 60 mV,.../ 1 mA, ...10V ) e 
com uma escala adequada, permitem a medida de outras grandezas ( 
Cº, rpm,Watt, m/s... ). Para medição de correntes superiores a 100 A 
devem ser ligados a Shunts. 
True RMS 
• A maioria dos medidores de tensão e corrente fornece 
indicações bastante exatas quando operam grandezas 
constantes (CC) ou formas senoidais puras (CA); no entanto 
deixam a desejar quando a grandeza sob análise tem outra 
forma de onda. 
• Nesse caso, somente os instrumentos classificados com 
True RMS darão a indicação exata. 
Medidor de Ferro Móvel 
• Também conhecidos como instrumentos ferromagnéticos ou 
eletromagnéticos. 
• O seu princípio de funcionamento é baseado na ação do 
campo magnético, criado pela corrente a medir percorrendo 
uma bobina fixa, sobre uma peça de ferro doce móvel. 
• Há dois tipos de instrumentos básicos: 
– Instrumento de “atração” ou de “núcleo mergulhador”; 
– Instrumento de “repulsão” ou de “palheta móvel”. 
 
 
 
Instrumento de “atração” ou 
de “núcleo mergulhador” 
 
 
 
Instrumento de “repulsão” 
ou de “palheta móvel” 
 
 
 
Medidor de Ferro Móvel 
• São utilizados em corrente contínua e corrente alternada de 
baixa frequência (<400Hz); 
• A deflexão do ponteiro é proporcional ao quadrado da corrente; 
assim, por isso esse tipo de instrumento mede valor eficaz; 
• Podem ser utilizados para medir formas de onda não senoidais; 
• Possuem classe de exatidão pior do que os medidores de bobina 
móvel e, por isso, são medidores mais baratos. 
• É comum encontrá-los nos painéis de equipamentos como 
estabilizadores, geradores elétricos, entre outros. 
Aplicação do Galvanômetro 
• Os voltímetros são galvanômetros que utilizam resistores 
em série como divisor de tensão. A corrente medida é 
proporcional a tensão aplicada (medida a quente). 
 
 
 
 
Aplicação do Galvanômetro 
• Os amperímetros são galvanômetros que utilizam 
resistores shunt (paralelo) para operarem correntes mais 
altas (medida a quente). 
Aplicação do Galvanômetro 
• Os ohmímetros são galvanômetros com uma bateria que 
utilizam resistores de calibração. A corrente medida é 
proporcional a resistência medida (medida a frio). 
 
Wattímetro Analógico 
• 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). 
Características Operacionais 
• Sensibilidade 
– É a característica de um instrumento de medição que exprime a relação 
entre o valor da grandeza medida e o deslocamento da indicação. 
• Exemplo: Dois instrumentos são utilizados para se fazer a medida de uma mesma 
grandeza. Um deles indicou o valor da grandeza deslocando-se até a metade de sua 
escala e o segundo deslocou-se até ¾ de sua escala. Neste caso, o segundo medidor 
tem 50% mais sensibilidade que o primeiro. 
– Em geral, é expressa em Ω ∕ 𝑉 como uma função da corrente de fundo de 
escala (IFE). 
𝑆 =
1
𝐼𝐹𝐸
 
 
Características Operacionais 
• Posição do zero 
– É a posição de repouso do ponteiro, quando o instrumento não 
está efetuando medidas 
Zero à esquerda 
Características Operacionais 
• Linearidade 
– É característica que diz respeito à maneira como a escala é 
dividida. Quando a valores iguais correspondem divisões iguais, 
diz-se que a escala é linear (ou homogênea), caso contrário, a 
escala é chamada não-linear (heterogênea). 
Escala não-linear Escala linear 
Características Operacionais 
• Valor fiducial 
– É o valor de referência para a especificação da classe de exatidão 
do instrumento. 
– Este valor é determinado de acordo como tipo de escala do 
medidor, no que se refere à posição do zero. 
Classe de exatidão 
• A classe de exatidão de um instrumento forneceo erro admissível 
em porcentagem entre o valor indicado pelo instrumento e o 
fiducial, levando-se em consideração o valor do fundo de escala. 
Classe de exatidão 
• Exemplo: 
– Um amperímetro de classe 0,5 tem amplitude de escala de 0 a 200mA, isto 
significa que o erro máximo admissível em qualquer ponto da escala é: 
 
𝜖 = 0,5% ⋅ 200mA = 1mA 
 
– Portanto, se o aparelho indicar 50mA, a variação admissível será 50±1mA; 
se estiver indicando 150mA, a variação será igualmente 150±1mA. 
Tipos de Corrente 
Tipos de Instrumentos 
Posição 
• Instrumentos de painel usualmente são projetados para 
funcionamento na posição vertical, porém outras posições 
podem ser viáveis. 
• O uso de um instrumento em posição diferente daquela para 
a qual foi projetado pode ocasionar erros grosseiros de 
leitura. 
Posição 
É tipicamente o 
instrumento de painel 
É tipicamente o 
instrumento de bancada 
Tensão de isolação ou tensão de prova 
• É o valor máximo de tensão que um instrumento pode 
receber entre sua parte interna (de material condutor) e sua 
parte externa (de material isolante). 
Observação: Na ausência de 
algarismo, a tensão de prova é 
igual a 500 V. 
Exemplos de Instrumentos 
• Amperímetro analógico de ferro 
móvel, escala não linear, indicado 
para medição de correntes contínua 
ou alternada, com classe de 
exatidão 2, adequado para medição 
na posição horizontal com classe de 
isolação de 500 V. 
Medidor de Energia Ativa 
Analógico de Indução 
• Popularmente conhecido como relógio de luz. 
• 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. 
Medidor de Energia Ativa 
Analógico de Indução 
INSTRUMENTOS DIGITAIS 
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 característica básica dos instrumentos digitais é a conversão dos 
sinais analógicos de entrada em dados digitais. 
Classe de Exatidão 
• De forma semelhante aos 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 
mais um número dígitos correspondendo a resolução em um 
determinando range. 
Categoria 
• Esta característica diz respeito à segurança, tanto do 
instrumento em si como de seu operador. 
• Os instrumentos digitais são hierarquizados em categorias 
numeradas de I a IV, cada uma delas abrangendo situações 
às quais o medidor se aplica. 
 
 
 
Wattímetro Digital 
• Nos wattímetros digitais, um circuito eletrônico calcula, por 
amostragem, tensão e corrente eficazes e, através delas, a 
potências ativa. 
CONDICIONAMENTO DE SINAIS 
Amplificador Operacional 
• Os amplificadores operacionais (AmpOps) são circuitos 
eletrônicos amplamente utilizados em sinais analógicos. 
𝑉𝑂 = 𝐴 ⋅ (𝑉+ − 𝑉−) 
Amplificador Operacional 
• Idealmente possuem as seguintes características: 
– Não existe fluxo de corrente nas entradas do AmpOp; 
– A impedância de entrada é infinita; 
– Seu ganho de tensão em malha aberta é infinito; 
– Não existe diferença de potencial entre suas entradas 
(curto circuito virtual); 
– A impedância de saída é igual à zero. 
• Na prática é na ordem de 10.000 vezes e reduz com a 
frequência. 
 
Configuração não-inversora 
𝑉𝑜 = 1 +
𝑅𝑓
𝑅1
⋅ 𝑉𝑖 
 𝐺 = 1 +
𝑅𝑓
𝑅1
 
 
 
• O ganho sempre é maior que 1. 
• Ganho (G) alto provoca saturação do sinal de saída. 
Configuração Buffer 
• Se analisarmos a 
configuração não-
inversora com 𝑅𝑓 = 0, 
temos que a tensão de 
saída é igual a tensão de 
entrada. 
• Essa configuração é 
conhecida também por 
“seguidor de tensão”. 
 
Configuração inversora 
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
⋅ 𝑉𝑖 
 𝐺 = −
𝑅𝑓
𝑅1
 
 
• O sinal de saída é invertido; 
• Pode ser utilizado para reduzir ou amplificar o sinal; 
• Geração 4-20mA. 
Configuração Somador 
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
⋅ 𝑉1 +
𝑅𝑓
𝑅2
⋅ 𝑉2 + ⋯ +
𝑅𝑓
𝑅𝑛
⋅ 𝑉𝑛 
 
 
 
• Também conhecido por circuito mix; 
• Soma de vários sinais diferentes; 
• Conversor Digital-Analógico. 
Configuração Subtrator 
• Fazendo a análise do circuito, temos: 
 𝑉0 =
𝑅𝑇⋅(𝑅𝑓+𝑅𝑣1)
𝑅𝑣2+𝑅𝑇 ⋅𝑅𝑣1
𝑉2 −
𝑅𝑓
𝑅1
𝑉1 
 
• Se 𝑅𝑣1 = 𝑅𝑣2 = 𝑅1 e 𝑅𝑓 = 𝑅𝑇 = 𝑅2 
 
𝑉𝑜 =
𝑅2
𝑅1
 ⋅ (𝑉2 − 𝑉1) 
RV1 
RT 
RF 
RV2 
Amplificador Diferencial de Instrumentação 
• Na prática, o circuito subtrator não é preciso, pois os resistores R2 
não são iguais entre si, assim também, os resistores R1. 
• Para contornar esse inconveniente há os amplificadores de 
instrumentação, que possuem um circuito preciso e equivalente a: 
 
 
𝑉0 =
𝑅2
𝑅1
⋅ 1 +
2𝑅3
𝑅𝑔
⋅ 𝑉2 − 𝑉1 
Amplificador Diferencial de Instrumentação 
• A vantagem do amplificador de instrumentação é que você 
pode ajustar o ganho através de apenas um resistor externo 
de ganho (Rg). 
 
 𝑅𝑔 =
49,4𝑘Ω
𝐺 − 1
 
Conversor de resistência 
para Frequência 
• Utilizando o CI 4093 que contém 
quatro portas NAND com 
Schmitt Trigger, podemos gerar 
frequência proporcional a 
resistência elétrica de um sensor. 
Conversor Tensão-Frequência 
Conversor de Frequência para Tensão 
Alguns C.I.s Comerciais 
• LM741, TL082,, LM301A – Dual Supply Operational Amplifier 
• LM358 – Single or Dual Supply Operational Amplifier 
• TL074 – 4AOs – Single or Dual Supply Operational Amplifier 
• LM231A/LM231/LM331A/LM331 – Voltage to Frequency 
Converter 
• LM2907 /LM2917 - Frequency to Voltage Converter 
• AD620ANZ, INA126 – Amplifier Instrumentation 
 
 
CUIDADOS NA 
INSTRUMENTAÇÃO 
Aterramento Elétrico 
• Significa colocar instalações e equipamentos no mesmo 
potencial, de modo que a diferença de potencial entre a terra 
e o equipamento seja o menor possível. 
• O terra é o conector com diferença de potencial igual a zero; 
Exemplos de Aterramento Elétrico 
Haste de 
aterramento 
Ligação em cruz de cabos 
nus de aterramento 
Ligação de cabo nu na 
haste de aterramento 
Aterramento Elétrico 
• O aterramento consiste em criar um caminho de baixa impedância 
para o Terra. 
• Ele deve ser apropriadamente elaborado para: 
– proteger a integridade física das pessoas; 
– facilitar o funcionamento de dispositivos de segurança; 
– descarregar cargas eletrostáticas da carcaça de equipamentos; 
– garantir a integridade dos dados enviados de um processo 
industrial. 
 
 
 
 
– garanta o funcionamento adequado da instalação; 
– garanta a segurança quanto a fenômenos que possam comprometer o 
funcionamento adequado dos equipamentos. 
Aterramento na Instrumentação 
• Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de 
sinal, o que não é adequado visto que esse terra é muito 
ruidoso e pode apresentar alta impedância. 
• Em alguns casos, o aterramento está instalado em solo 
muito seco, o que não permite um bom aterramento e o uso 
de mais barras em paralelo torna-se inviável. 
• Nessas situação é indicado o tratamento químico do solo 
por bentonita e gel. 
Aterramento na Instrumentação 
• O tratamento químico tem um grande inconveniente que é 
sua baixa durabilidade, poisa terra, aos poucos, absorve os 
elementos adicionados. Com o passar do tempo, sua 
resistência volta a aumentar, portanto, essa alternativa deve 
ser o último recurso. 
Ruídos 
• O ruído é definido basicamente como um sinal elétrico indesejável 
ou um fenômeno magnético que corrompe o sinal verdadeiro. Em 
outras palavras, altera a informação. 
• Os ruídos podem ser provenientes de: 
– EMI (Interferência eletromagnética); 
– RFI (Interferência de rádio frequência); 
– Caminhos de fugas nos terminais de entradas dos equipamentos; 
– Arcos elétricos; 
– Rede elétrica de 60Hz; 
– Motores elétricos (centelha nas escovas); 
– Inversor de frequência. 
Ruídos 
• Apesar de um bom aterramento ser necessário para mitigar 
os ruídos, isso não é suficiente. 
• É necessário o uso de cabos com blindagem 
eletromagnética, que consiste de um malha de fios ou folha 
muito finos que envolvem os cabos atuando como uma 
gaiola de Faraday a fim de bloquear ruídos externos. 
DADOS PARA ESPECIFICAÇÃO 
DE INSTRUMENTOS 
Sensor 
• Variável 
– Corrente, Tensão, temperatura, nível, vazão, pressão, pH e etc. 
• Tipo 
– Digital ou Analógico; 
– Chave ou Medidor; 
• Princípio de funcionamento 
• Range 
• Exatidão 
 
 
Tipo de Transmissor 
• Sensor integrado ou avulso. 
• Indicador local ou não. 
• Compensação de temperatura. 
– 2 fios; 
– 3 fios; 
– 4 fios. 
Grau de proteção do involucro 
Alimentação Elétrica 
• Tensão: 
– 127VCA ou 220VCA ou +24VCC ou 24VCA; 
• Pressão: 
– 2bar ou 4,5bar ou 8bar ou 12bar. 
 
Conexão 
• Conexão Elétrica 
– Diâmetro; 
– Rosca; 
Condições de Operação 
• Fluido 
– Limpo ou sujo; 
– Homogêneo ou com sólidos em suspensão; 
– Corrosivo; 
– Abrasivo; 
– Espesso; 
– Condutivo. 
Condições de Operação 
• Conexão ao processo 
– Diâmetro da tubulação (sistema métrico ou inglês); 
– Material: aço carbono, aço inox (AISI 304 ou 316), cobre, PVC e etc. 
– Montagem: flangeada (ANSI 150, ANSI B16.5), soldável ou rosca. 
 
Condições de Operação 
• Define condições externas que influenciam na grandeza 
medida: 
– Densidade: mínima, máxima ou típica (normal). 
– Vazão: mínima, máxima ou típica (normal). 
– Temperatura: mínima, máxima ou típica (normal). 
– Pressão: mínima, máxima ou típica (normal). 
 
 
Tipos de saída 
• Relé (contato seco); 
– SPST: Single Pole Single Throw 
• NA (NO) ou NF (NC); 
– SPDT: Single Pole Double Throw 
• NAF; 
– DPST: Double Pole Single Throw 
• 2NA ou 2NF; 
– DPDT: Double Pole Double Throw 
• 2NAF. 
 
 
Tipos de saída 
• Transistor (NPN e PNP); 
– NPN ou PNP; 
– NA (NO) ou NF (NC); 
– Três fios ou quatro fios. 
Tipos de saída 
• Operação normal; 
• Ação de falha (fail safe): 
– Contato aberto ou fechado; 
– 4mA ou 20mA; 
– 3psi ou 15psi. 
 
Tipos de Saída 
• Analógica 
– Sinal Pneumático 
– Sinal Hidráulico 
– Sinal Elétrico 
 
• Digital (Protocolo de comunicação) 
– Cabeado; 
– Sem fio (rádio); 
Sinal Pneumático 
• Utiliza ar comprimido na pressão de 0,2 a 1,0 kgf/cm² (Sistema 
Internacional) ou 3 a 15 psi (Sistema Inglês); 
• Vantagem: 
– Pode ser usado em ambientes explosivos. 
• Desvantagens: 
– Necessário tubulação e equipamentos auxiliares; 
– Distâncias pequenas (100m); 
– Difícil detecção de vazamentos; 
– Não pode ser conectado diretamente ao computador; 
– Resposta Lenta. 
Sinal Hidráulico 
• Utiliza Óleo Hidráulico 
• Vantagem: 
– Gera grandes forças, 
– Gera resposta rápida. 
• Desvantagens: 
– Necessário tubulação, equipamentos auxiliares e inspeção periódicas; 
– Não pode ser conectado diretamente ao computador. 
 
Sinal Elétrico 
Utiliza sinais elétricos de corrente ou tensão. 
• Exemplos: 4 a 20mA (grandes distâncias) ou 0~10VCC (até 15m). 
• Vantagem: 
– Pode ser aplicado em longas distâncias; 
– Alimentação e transmissão de sinal pelo 
mesmo par de fios; 
– Fácil conexão ao computador; 
– Fácil instalação (sem necessidade 
equipamentos auxiliares); 
– Facilita a execução de operações 
matemáticas. 
 
• Desvantagens 
– Cuidados especiais em áreas de risco; 
– Cuidados especiais no 
encaminhamento de cabos e fios de 
sinal; 
– Cabos de sinal devem ser protegidos 
contra ruídos. 
 
Sinal Digital Cabeado 
• Utiliza “pacotes de informações”; 
 
• Vantagem : 
– Não necessita ligação ponto a ponto 
por instrumento; 
– Par trançado ou fibra óptica, o que 
garante maior imunidade a ruídos; 
– Permite configuração, diagnóstico e 
calibração em qualquer ponto da 
malha. 
• Desvantagens: 
– Vários protocolos; 
– Perda de informações e/ou 
controle de malhas com 
rompimento no cabo. 
– Necessidade de mão-de-obra 
especializada. 
 
 
Sinal Digital sem fio 
• Utiliza de sinal sem fio em faixa de frequência específica. O mais 
conhecido é o sinal à rádio. 
• Vantagem: 
– Sem cabos de transmissão de sinal; 
– Ideal em máquinas móveis em que o cabo poderia romper por fadiga. 
• Desvantagens: 
– Alto custo inicial; 
– Necessita de técnicos altamente especializados.