1

Apostila de Instrumentos de Medidas

Eletricidade

Engenharia de Produção

Abril, 2009

2

INSTRUMENTOS DE MEDIDAS

Objetivos:

Entender os princípios fundamentais de instrumentos de medição elétrica.

Conhecer alguns instrumentos de medição elétrica.

1. Introdução

Um instrumento, no sentido mais amplo, quer dizer qualquer dispositivo

utilizado para executar uma ação e/ou fazer alguma observação ou mensuração.

Exemplos não faltam nas áreas da mecânica (alicate, régua, correia, paquímetro, ...),

biomédica (bisturi, estetoscópio, ...), eletrônica (voltímetro, amperímetro, ohmímetro,

anemômetro, ...), etc.

Da ciência da medição, a metrologia, tem-se os instrumentos de medição.

Definição 1. Instrumentos de medição são dispositivos simples ou complexos que dão

informações quantitativas, com alguma precisão, do valor de grandezas físicas de

interesse.

Exemplos: voltímetro, amperímetro, régua, paquímetro, estetoscópio, anemômetro, etc.

Dessa forma, usam-se instrumento de medição pra obter um valor quantitativo

relacionado com uma determinada grandeza (atributo de um fenômeno, corpo ou

substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado).

É importante diferenciar instrumento de medição de um detector. Detector é um

dispositivo utilizado para verificar a existência ou não de um fenômeno. Assim se

ocorre o fenômeno em questão, há uma indicação disso sem que haja uma determinação

quantitativa do fenômeno.

Mas afinal de contas o que é uma medição.

Definição 2. Medição é o ato de determinar, por meio de algum instrumento de medida

e usando alguma unidade de medida adotada como padrão, o valor de uma grandeza.

Exemplo: de uma medição com um voltímetro1, pode obter a seguinte medida: 8,2 V

em que o valor 8,2 é o considerado verdadeiro e a unidade de medida é o volt (V).

3

Para realizar uma medição é necessário definir os seguintes itens:

1. Determinar o que medir;

2. Definir que instrumento usar;

3. Definir os critérios para avaliar a medição.

Em medição elétrica, as principais grandezas a serem medidas são: tensão

elétrica (volt, V), corrente elétrica (ampère, A), freqüência (hertz, Hz) e potência

elétrica (watt, W). Têm-se também outras grandezas relativas à propriedade elétrica,

como: resistência elétrica (ohm, Ω), capacitância (faraday, F), indutância (henry, H),

etc.

A partir da determinação da grandeza a ser medida, escolhe-se o instrumento

apropriado para realizar a medição. Assim para medição de:

• Tensão elétrica usa-se o voltímetro;

• Corrente elétrica, o amperímetro;

• Freqüência, o frequencímetro;

• Potência elétrica, o wattímetro;

• Resistência elétrica, o ohmímetro;

• Capacitância, o capacímetro;

• Indutância, o indutômetro, etc.

Porém, existe uma gama de outros instrumentos e métodos possíveis para a

medição de uma dada grandeza. Evidentemente, como tudo que nos cerca, existem

instrumentos com maior qualidade que outros e a escolha depende da aplicação, do

custo e de vários outros fatores, como, a habilidade do profissional que vai utilizar o

equipamento, como a informação do valor vai ser lida pelo operador, etc.

Após determinar a grandeza, definir o instrumento, realizar a medição e

efetivamente obter uma medida − por exemplo: 8,2 V − então se pode inferir acerca da

confiança que temos neste dado, ou seja, esse valor é mesmo o valor verdadeiro da

tensão elétrica medida?

Se o instrumento for de qualidade, evidente que confiaremos na medição

realizada. Mas, se o instrumento não for de qualidade, duvidaremos. O que fazer?

Uma solução possível é realizar uma série de medições e, após isso, calcular a

média dos valores obtidos. Por exemplo, se fizermos 6 medições e obtivermos estes

4

valores: 8,0 V; 8,1 V; 8,2 V; 8,4 V; 8,2 V e 8,3 V. Então, um valor que poderemos

utilizar será:

Assim, o valor 8,2 V nos dará uma maior confiança. Correto? Nem sempre, e se

o instrumento for de péssima qualidade, a média de péssimas medições resultaria em

uma medição mais confiável? É claro que não. Entretanto, a média pode agregar alguma

confiança na medição.

Uma outra solução, evidentemente, seria utilizar um instrumento de maior

qualidade. Aliás, o que é um instrumento de qualidade?

Vamos supor que temos dois instrumentos. O primeiro nos dá uma medição

baseada no seguinte resultado:

V = 8,2 ±1V, e o segundo: V = 8,2 ±0,1V

Assim, com o primeiro instrumento, sabemos que o valor verdadeiro está entre

7,2V e 9,2V. Com o segundo, o valor verdadeiro está entre 8,1V e 8,3V. É claro que o

segundo instrumento é o mais confiável, pois a dispersão das medições, ou seja, a faixa

entre o valor máximo e mínimo, é bem menor.

Esse parâmetro, ±1V , ± 0,1V , ou, em geral, ±δ é denominado de incerteza de

medição. Assim, quanto menor é a incerteza atribuída ao instrumento, maior é a sua

qualidade.

Definição 3. Incerteza de medição: Parâmetro associado ao resultado de uma medição,

que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentadamente atribuídos a

um mensurando.

Dessa forma, em geral, é importante obter da medição realizada no seguinte

formato de informação: V '= V ± δV u.m. em que u.m. é a unidade de medida utilizada.

2.0 Instrumentos de Medida Elétrica

A verificação de um circuito elétrico, necessita de alguns instrumentos de

medida, de modo a que possa ser analisado, seja na vertente de desenvolvimento e

concepção de circuitos eletrônicos, reparação de avarias eletrônicas ou elétricas. Podem

existir equipamentos específicos destinados a verificar componentes eletrônicos ou

5

circuitos dedicados, no entanto, existem alguns instrumentos de medição globais e

fundamentais.

2.1 Classificação dos aparelhos de medidas elétricas

Os instrumentos de medição elétrica podem ser classificados segundo os

critérios abaixo:

2.1.1 Princípio de funcionamento

Classificação de acordo com o efeito físico em que se baseia o aparelho. De

maneira geral, dispositivos de medidas elétricas podem ser:

- Eletromagnéticos

- Eletrodinâmicos

- Eletrostáticos

- Eletroquímicos

- Térmicos

- A efeito hall

- Eletrônicos/digitais

2.1.2 Apresentação da medida

Classificação de acordo com a forma de apresentação dos valores medidos.

Podem ser:

- Indicadores: Apresentam o valor instantâneo da medida

- Registradores: Registram os valores medidos ao longo do tempo. Normalmente

isso é feito através de um traço em um papel graduado (um sismógrafo, por exemplo).

Os mais modernos armazenam a informação digitalmente em memória (data loggers).

Na indústria, geralmente programas de computador fazem essa função, armazenando os

dados recebidos de medidores em campo.

- Integradores: Apresentam o valor acumulado (integrado) da grandeza num

intervalo de tempo.

2.1.3 Corrente de operação

Classificação de acordo com a forma de onda da corrente de operação:

- Corrente contínua (DC ou CC)

- Corrente alternada(CA ou AC)

6

- Ambas

2.1.4 Grandeza a ser medida

Classificação de acordo com a grandeza medida:

- Tensão (voltímetro)

- Corrente (amperímetro)

- Resistência (ohmímetro)

2.1.5 Aplicação

De acordo com o tipo de utilização dos instrumentos, pode-se classificá-los

como:

- Industriais: Robustos e tolerantes a sobrecargas, distinguindo-se em:

- De quadro: Para instalação fixa em painéis de instrumentos.

- Portátil: Para aplicação móvel

3.0 Tipos de Instrumentos

Nesta apostila iremos estudar exemplos de dois tipos de instrumentos para

medidas elétricas: os de grandezas constantes no tempo e um de grandeza variável no

tempo.

Os instrumentos de grandezas constantes no tempo são: voltímetro,

amperímetro, wattímetro e multímetro. E o instrumento de grandeza variável no tempo

que será estudado é o osciloscópio.

3.1 Voltímetro

O voltímetro é um instrumento de medida da amplitude da tensão elétrica. É

dotado de duas pontas de prova de acesso ao exterior, através das quais se pode medir a

tensão aos terminais de uma fonte de tensão constante, entre dois quaisquer pontos de

um circuito elétrico, ou ainda entre um qualquer ponto e a referência.

A ligação de um voltímetro ao circuito é do tipo paralela. O mesmo é dizer que

durante a medição o instrumento constitui um caminho paralelo ao elemento ou circuito

a diagnosticar. No entanto, um voltímetro ideal procede à medição da tensão sem

absorver qualquer corrente elétrica (apresenta, por isso, uma resistência elétrica de

entrada infinita), característica que garante a não interferência do aparelho no

funcionamento do circuito.

7

No passado, todos os voltímetros eram do tipo analógico. Nos aparelhos deste

tipo, a amplitude da tensão é indicada através da posição de um ponteiro sobre uma

escala graduada, cuja seleção condiz com a amplitude prevista para a tensão.

Atualmente existe uma grande variedade de voltímetros analógicos e digitais, sendo em

geral uma das múltiplas funções disponibilizadas pelo multímetro. O voltímetro pode

ter escalas de medida em AC e DC.

8

3.2 Amperímetro

O amperímetro é um instrumento de medida da amplitude da corrente elétrica.

Ao contrário do processo de medição da tensão, a medição de uma corrente elétrica

obriga a que o instrumento seja percorrido pela grandeza a diagnosticar. Um

amperímetro ideal caracteriza-se pela capacidade de medir a corrente sem incorrer em

qualquer queda de tensão entre os seus dois terminais. Também pode executar medidas

em AC e DC.

9

3.3 Wattímetro

O wattímetro é um instrumento que permite medir a potência elétrica fornecida

ou dissipada por um elemento. O wattímetro implementa o produto das grandezas

tensão e corrente elétrica no elemento, razão pela qual a sua ligação ao circuito é feita

simultaneamente em série e em paralelo. Assim, dois dos terminais são ligados em

paralelo com o elemento, efetuando a medição da tensão, e os dois restantes são

interpostos no caminho da corrente. Tal como o voltímetro e o amperímetro, o

wattímetro ideal mede a tensão sem desvio de qualquer fluxo de corrente, e mede a

corrente sem introduzir qualquer queda de tensão aos seus terminais.

3.4 Multímetro

O multímetro é um instrumento de medida multifuncional que congrega, entre

outras, as funções de voltímetro e de amperímetro. Com ele, grandezas básicas como

corrente, tensão e resistência podem ser medidas e através destas medidas o técnico

pode saber se o circuito está ou não em boas condições.

10

Para se utilizar o multímetro é necessário alguns conhecimentos básicos. O

multímetro mede, e estas medidas devem ser interpretadas.

Atualmente existe no mercado uma enorme variedade de multímetros: de tipo

analógico ou digital; de pequenas (bolso) ou grandes dimensões; de baixa ou elevada

precisão; de baixo ou elevado preço.

Vulgarmente chamado de “multitester”, é o principal instrumento de um

eletrônico.

3.4.1 Utilizando um multímetro

Basicamente, no teste de componentes, o que usamos do multímetro é a sua

capacidade de medir resistência, ou seja, suas escalas OHMS com fatores de

multiplicação x1, x10, x100 e x1k.

Na figura acima temos o modo

de fazer uma medida de resistência.

Observe que, antes de fazer esta

medida devemos encostar uma ponta

de prova na outra e ajustar o Zero

Adj. para uma leitura de 0 na escala.

A seguir, de acordo com o

fator de multiplicação da escala,

temos a resistência do componente.

Se tivermos uma indicação 5 na escala x100, isso significa que a resistência é

5x100 ohms ou 500 ohms. É importante observar que o multímetro mede as resistências

fazendo passar pelo circuito em prova a corrente de uma pilha interna. Assim, para que

a medida seja correta é preciso considerar dois fatos importantes:

11

- não deve haver outra corrente circulando pelo componente analisado, ou seja, se o

componente estiver num circuito, este circuito deve estar desligado.

- não deve haver outros percursos possíveis para a corrente a não ser pelo componente

analisado, ou seja, o componente deve estar fora do circuito (figura)

Mas como interpretar as leituras de um multímetro em cada caso?

12

Medidas de Resistência

Evidentemente, o teste mais simples que podemos fazer com o multímetro

refere-se à medida de resistência de resistores ou potenciômetros, como é mostrado na

figura.

A escala escolhida deve ser

tal que tenhamos uma indicação da

resistência na região central da escala

onde a precisão do aparelho é maior.

Assim, se a leitura for 5 com a escala

x1k o valor lido deve ser 5k ou 5000

ohms.

No caso de potenciômetros

fazendo a leitura da resistência entre

os terminais extremos teremos o

valor nominal do componente. Por

exemplo, se lermos 22k trata-se de um componente de 22k, não importando a posição

do eixo.

Já, lendo a resistência entre o terminal central e qualquer um dos extremos, a

resistência depende da posição do cursor. Movimentando lentamente o cursor, se o

ponteiro der saltos bruscos e não variar suavemente, teremos então um componente com

problemas.

Um resistor aberto ou potenciômetro aberto fornece uma leitura infinita.

Há um “truque” que todo técnico reparador deve conhecer e que permite testar

resistores no circuito, conforme mostra a figura, o valor lido deve ser menor ou igual da

resistência marcada no componente, mas nunca maior. Se for maior, teremos um

resistor certamente aberto.

13

Normalmente os resistores “abrem” ou seja, tendem a alterar o valor para mais e

nunca para menos quando ocorrem anomalias, é um meio prático de encontrar

problemas.

Observe, que se o valor lido for igual ou menor que a resistência marcada em

princípio não podemos com certeza afirmar que ele está bom. Aí sim, deve ser feito um

teste fora do circuito, em caso de dúvidas.

Medidas de Capacitores

Os multímetros não medem capacitância mas podem revelar alguns problemas

que ocorrem com certos tipos de capacitores. Assim, para os capacitores plástico, a

única coisa que um multímetro pode revelar é um eventual curto entre as armaduras.

Um capacitor bom e um capacitor “aberto” (sem capacitância) dará a mesma indicação

no multímetro.

14

Assim sendo, utilizar o multímetro no teste deste tipo de componente tem suas

limitações. Um pouco mais pode ser obtido no teste de capacitores de valores elevados,

no caso dos eletrolíticos.

Quando encostamos as pontas de prova de um multímetro num capacitor

eletrolítico, a bateria interna do multímetro carrega o capacitor através de um circuito de

certa resistência existente no interior do instrumento. Esta carga será tanto mais rápida

quanto menor for o valor do capacitor.

O instrumento acusa então, por alguns instantes esta corrente de carga fazendo

com que o ponteiro se movimente no sentido das baixas resistências.

No entanto, assim que a carga se completa, não flui mais corrente no circuito, e

o ponteiro cai ao mínimo, ou seja, passa a indicar uma corrente infinita.

Na prova de um capacitor eletrolítico temos então uma rápida oscilação do

ponteiro que desloca-se no sentido das baixas resistências, para depois voltar para as

resistências infinitas.

Evidentemente, as coisas

devem ocorrer deste modo se o

capacitor estiver bom. E se

estiver ruim?

Temos duas possibilidades

para um capacitor ruim:

- sem capacitância ou aberto.

Neste caso, o capacitor tem sua

capacitância muito reduzida ou

nenhum por motivos diversos

como por exemplo o vazamento

do eletrólito ou sua evaporação.

Ao encostar as pontas de prova do multímetro nos terminais de um capacitor com este

problema a agulha não se movimenta conforme indicado, permanecendo na posição de

infinito.

- em curto ou fuga excessiva: neste caso, pode haver uma fuga de corrente entre as

armaduras ou baixa resistência. A agulha do instrumento na prova vai em direção às

baixas resistências e não volta. Se a agulha voltar, indicando não uma resistência

infinita, mas anormalmente alta, entre 100k e 1M, diremos que o capacitor tem “fuga” e

isso pode ser ruim se o usarmos em aplicações em que este fator pode influir no

15

funcionamento do circuito. É o caso de timers, por exemplo onde a fuga não deixa o

capacitor “carregar” totalmente.

3.5 Osciloscópio

O osciloscópio é um instrumento de medida que permite visualizar em tempo

real a amplitude de uma tensão elétrica variável no tempo. O osciloscópio é de todos os

instrumentos o de maior utilidade e complexidade, designadamente devido à

necessidade de associar à medição a dimensão do tempo.

O osciloscópio pode ser utilizado entre outras funções para:

• Determinar diretamente o período e a amplitude de um sinal;

• Determinar indiretamente a freqüência de um sinal;

• Localizar avarias em um circuito;

O monitor de um osciloscópio é, geralmente, um retângulo de 10cmx8cm,

subdividido em quadrículos que permitem a leitura dos sinais visualizados. Os eixos

vertical e horizontal possuem escalas que são ajustadas pelos seletores de base de tempo

e amplitude.

16

Para se medir um sinal elétrico com um osciloscópio, é necessário se dispor das

“ponteiras de prova”, que deverão ser conectadas aos canais do osciloscópio e à fonte

do sinal elétrico que se deseja medir.

3.5.1 Canais do osciloscópio

Os osciloscópios atualmente existentes no mercado dispõem de diversos canais

de leitura simultânea, em geral dois ou quatro, podendo ser de tipo analógico ou digital.

Os osciloscópios digitais são os de maior funcionalidade, permitindo designadamente

somar e subtrair sinais entre canais, calcular valores médios, máximos e mínimos,

determinar períodos e freqüências de oscilação dos sinais medidos, suspender,

memorizar e recuperar sinais, imprimir ou transferir para um computador o conteúdo do

visor, etc. Os osciloscópios são dotados de uma ponta de prova por canal, cujos dois

terminais devem ser ligados em paralelo com o elemento cuja tensão aos terminais se

pretende medir.

3.5.2 Seleção do canal a ser mostrado na tela do osciloscópio

Tanto os osciloscópios analógicos quanto os digitais permitem a visualização de

qualquer um dos seus dois canais, ou dos dois canais de forma simultânea. Para isso,

existem botões com as seguintes funções:

CH1: mostra o sinal do canal 1;

CH2: mostra o sinal do canal 2;

ALT e CHOP: as duas opções mostram os dois canais de forma simultânea, a

forma como isso é feito é diferente nos dois casos, mas para fins de observação o efeito

é o mesmo (detalhes no Apêndice 5.1).

ADD: mostra um sinal correspondente à soma do sinal do canal 1 com o sinal do

canal 2.

3.5.3 Seleção das escalas de tempo e de amplitude

Os botões para selecionar as escalas horizontal e vertical do osciloscópios

permitem um ajuste da imagem de acordo com a freqüência e a amplitude de um sinal.

O ajuste da escala de tempo é comum aos dois canais do osciloscópio. A escala

de amplitude é independente para cada um dos canais do osciloscópio.

O ajuste dos seletores das escalas de tempo e de amplitude varia de acordo com

o sinal a ser analisado.

17

3.5.4 O que significa o seletor AC/DC/GND

Os sinais elétricos a serem observados no laboratório são geralmente

constituídos por duas componentes: uma componente variável no tempo, e uma

componente contínua. O seletor AC/DC/GND permite a filtragem da componente

contínua dos sinais, bem como visualizar na tela a posição correta para a referência

(terra ou “tensão-zero”) do circuito que está sendo observado. Assim, esse seletor tem o

seguinte significado:

DC: o sinal de entrada é mostrado integralmente (componente contínua e componente

variável no tempo);

AC: apenas a componente do sinal variável no tempo é mostrada, sendo filtrada a

componente contínua do sinal;

GND: mostra a posição do “terra” do circuito na tela do osciloscópio.

3.5.5 Medidas com o osciloscópio

Pode-se realizar uma série de medidas com o osciloscópio. Algumas delas serão

exploradas

.

3.5.6 Período e Freqüência

A figura abaixo mostra um exemplo de medição de período e freqüência de um

sinal periódico (que se repete no tempo). No caso mostrado, a forma de onda se repete 3

vezes em um segundo, ou seja, leva 1/3 de segunda para completar um ciclo, o que

corresponde ao período. A freqüência é o inverso do período, assim a onda mostrada

nessa figura tem freqüência de 3 Hz (três ciclos por segundo).

Importante: para se medir o período (e a freqüência) de uma onda em um osciloscópio,

deve-se estar atento à escala de tempo que está sendo utilizada, para saber a quantos

segundos corresponde cada divisão horizontal do gráfico mostrado na tela.

18

3.5.7 Amplitude de um sinal

A amplitude dos sinais mostrados por um osciloscópio pode ser determinada

diretamente. Para isso, basta observar a escala do eixo vertical do osciloscópio, quando

um determinado sinal está sendo mostrado em função do tempo (modo X-T). Deve-se

contar o número de divisões e multiplicar pela escala que está sendo utilizada.

3.5.8 Diferença de Fase

A diferença de fase entre duas formas de onda senoidais pode ser determinada

por uma simples regra de três, conforme mostrado na figura.

Sabe-se da trigonometria que a Função Senoidal pode ser mapeada em uma

circunferência (360 graus). Então, a cada ciclo completo da senoide, é como se 360

graus fossem completados. Quando duas senóides (de mesmo período) são analisadas

simultaneamente em um osciloscópio, a diferença entre as duas quanto ao tempo em que

19

elas cruzam o eixo horizontal é uma informação importante, sendo chamada de

“defasagem” entre as duas ondas. A medida da defasagem “X” (em graus), é

determinada observando-se os tempos T e T/4, na tela do osciloscópio, e fazendo-se a

regra de três mostrada na figura anterior. No caso mostrado, a onda de menor amplitude

está atrasada 90 graus em relação à de amplitude maior.

Importante: conexão das ponteiras para medir dois sinais simultâneos

Quando utilizamos o osciloscópio para a medição simultânea de duas grandezas

simultâneas (dois canais), devemos tomar cuidado com a conexão das referências

(terras) das duas ponteiras. Internamente, o osciloscópio irá conectar as duas referências

(garras pretas). Assim, deve-se sempre tomar o cuidado de se ligar os dois terras no

mesmo ponto do circuito. Caso contrário, o osciloscópio irá conectar internamente dois

pontos distintos do circuito.