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Instrumentos de MediçãoInstrumentos de Medição

Nikolas Libert

Aula 2

Manutenção de Sistemas Eletrônicos Industriais ET54ATecnologia em Automação Industrial

DAELT ● Nikolas Libert ● 2

Efeitos Fisiológicos da Eletricidade


Ocorrem quando o corpo humano passa a fazer parte de um circuito elétrico.

Efeitos que correntes elétricas podem provocar no corpo humano:

– Estimulação elétrica de músculos ou nervos.

– Aquecimento de tecidos por efeito Joule.

– Queimaduras e danos permanentes aos tecidos.



Sinais Cardíacos

AD

VD

AE

VE

● Os sinais de excitação do coração se propagam de forma ordenada

● Nódulo Sinoatrial: marca passos natural



Um tecido que tenha sido estimulado eletricamente demora um tempo para voltar a poder responder a novos estímulos.

Uma corrente externa pode excitar alguma região do coração na hora errada, acabando com o sincronismo dos batimentos.

– Fibrilação.

– A única possibilidade de retirar um coração da fibrilação é com um desfibrilador.

A ocorrência ou não da fibrilação é determinada pelo nível de corrente (e não tensão!).



60Hz1-3 s

Limiar de percepção

Limiar de voluntariedademuscular

Paralisia respiratória, fadiga, dor

Fibrilação

Contração contínuaDo miocárdio

Queimaduras

1mA 10mA 100mA 1A 10A 100A

Humano de 70 kg segurando condutor AWG8 (3,264 mm ø)com as duas mãos.

Frequência: 60Hz

Tempo: 1-3 s

Gráfico pode variar.



Resistência da pele.

– Principal limitador da corrente.

– 15 kΩ.cm² a 1 MΩ.cm². (1% disso para pele molhada)

Resistência interna.

– 200 Ω por membro.

– 100 Ω para o tronco.

Elementos de segurança.

– Luvas.

– Botas de Borracha.

– Evitar colocar o coração no circuito (uso de duas mãos).



Calcule a corrente que flui no corpo de alguém com pele seca, que tenha 127 V aplicados entre as mãos. O contato é feito numa região de 1 cm de um cabo de 3 mm de diâmetro.

Repita, considerando que a pele está molhada.

Qual a tensão mínima para que haja fibrilação?


Regras e Normas de Segurança


Questão imprescindível para Eletricistas.

Custo com lesões no trabalho superior a U$ 40 bi em 1999, nos EUA (estimativas do setor de seguros).

Existência de inúmeros órgãos governamentais e não governamentais envolvidos com segurança.



Normas de Segurança.

– Recomendações e procedimentos de segurança que nem sempre tem valor legal.

NFPA: Associação Nacional de Proteção contra Incêndio

– Associação estado-unidense não governamental.

– Mais de 300 códigos e padrões de segurança.

– Desde construção de edifícios até conectores para mangueiras de incêndio.

– NFPA 70E: segurança em eletricidade no local de trabalho, detalhamento para programação de inspeções em ferramentas de teste.



ANSI: Instituto Nacional de Padrões dos EUA.

– Organização privada e sem fins lucrativos.

– Representa os EUA em instituições internacionais como ISO e IEC.

– ANSI C2-81: Alta tensão.

– ANSI C33-27-74: Segurança para caixas de saída e conexões em locais perigosos.

– ANSI S82.02: Segurança em equipamentos de teste.



IEEE: Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos.

– Publica padrões e guias de práticas de segurança.

– Ajuda no cálculo do risco de ocorrência de arco elétrico.

– IEEE 1584-2002: Guia para cálculo de risco de arco elétrico.

IEC: Comissão Eletrotécnica Internacional.

– Trabalha em conjunto com instituições de vários países, como a ANSI, por exemplo.

– O Brasil está representado dentro da IEC pela ABNT.

– Muitas normas NBR (da ABNT) são praticamente traduções de normas IEC.



IEC: Comissão Eletrotécnica Internacional.

– Criaram normas para equipamentos de teste de até 1000 V.

– IEC 61010: Exige que multímetros não representem riscos de choque, incêndio, arco elétrico ou explosão mesmo quando submetidos a um erro de operador.

– IEC 61010, ANSI S82.02 e CSA 22.2-1010.1:● Criaram um sistema de 4 categorias de risco no uso

de equipamentos de medição de até 1000 V.● CAT I, CAT II, CAT III, CAT IV.● Quanto mais perto o operador está da fonte de

energia, maior o risco e o número da categoria.


Categorias de Risco

CAT IV

– Linhas de força na conexão com as empresas de energia e entrada de serviço.

– Cabos subterrâneos ou aéreos (raios).

– A corrente que pode ser fornecida só será limitada por disjuntores da companhia elétrica. Demora para desarmamento e correntes limites altíssimas.

CAT III

– Fiação na distribuição interna.

– Circuitos de 480 V e 600 V (alimentador e motor trifásico).

– Centros de carga e controle de motores.


Categorias de Risco

CAT III

– Painéis de distribuição.

– Cargas altas que podem gerar transientes de tensão (mal funcionamento,chaveamento de cargaindutiva...).

CAT II

– Saídas e circuitos ramificados longos. Mais de 10 m de uma fonte CAT III e 20 m de CAT IV.

CAT I

– Equipamentos de baixa energia com proteção própria.


Categorias de Risco

CAT I CAT II CAT III CAT IV


Categorias de Risco

Categorias de Risco.

– Na compra de um equipamento é importante que a categoria seja igual ou mais alta que a categoria das instalações.

– A categoria dos acessórios (ponta de prova de um multímetro, por exemplo) deve ser igual ou superior à categoria do instrumento.

– Um multímetro pode possuir categorias diferentes para cada função.


Categorias de Risco


Certificações

Certificações

– Muitos instrumentos podem ser projetados para obedecerem alguma norma de segurança.

– Nem sempre isso indica que eles obedeçam de fato.

– É importante que os instrumentos tenham passado por certificação de algum laboratório independente.

● Underwriters Laboratories, CSA (Associação canadense de padrões), TÜV (órgão alemãode certificação).

– A Marca CE (conformidade europeia) não é garantia de certificação independente. Os próprios fabricantes podem emiti-la.


Medição de Tensão


Idealmente a impedância de entrada de um voltímetro é infinita (dessa forma, ele teoricamente não “roubaria” corrente do circuito).

Na prática, existe uma impedância entre as pontas de prova que pode interferir nas medições.

V

VoltímetroIdeal

+

-

V

VoltímetroReal

+

-

Z



A)Calcule a tensão teórica VS no circuito (a).

B)Calcule a tensão VSM que o multímetro ET-2517 mediria no caso (b). Z=10 MΩ

C)Calcule o erro percentual 100.|VSM-VS|/VS

10 V

220 k

470

k

VS

+

-

10 V

220 k

470

k

VSM

+

-

Z

(a) (b)

R.: (a) 6,81 V (b) 6,71 V (c) 1,48 %



D)Repita o cálculo de VSM e do erro percentual para os novos resistores abaixo.

10 V

2,2 M

4,7

M VSM

+

-

Z

R.: (d) 5,92 V e 13,03 %



Medição de Tensão CA

– A tensão medida pelos multímetros em CA é a tensão RMS ou eficaz. (a tensão média seria nula e não representaria nada em CA).

Tensão RMS: Tensão contínua equivalente que geraria a mesma dissipação de potência que a tensão alternada original, em uma carga resistiva.

– RMS = Root Mean Square: Raiz da média do valor quadrado.

– O sinal é elevado ao quadrado (passa a ser apenas positivo)

– É tirada a média e posteriormente, a raiz quadrada da média.



Medição de tensão RMS

ωt

vp

-vp

π 2π 3π 4π

ωt

vp

2

π 2π 3π 4π

vRMS=v p√2

Sinal é elevadoao quadrado

Cálculo da raizquadrada da média (para onda senoidal)




– A maioria dos multímetros não mede tensão RMS diretamente.

– Ao invés disso, o sinal da rede é retificado e o valor médio medido. Para uma onda senoidal, o valor médio será:

– Da equação , a tensão rms é calculada como:

vmed=2v pπ

v p=π⋅vmed

2, logo

vRMS=v p√2

vRMS=π⋅vmed2√2




– Multímetros True RMS: medem tensão RMS diretamente. O valor medido em CA será correto independente da forma de onda do sinal de entrada.

– Multímetros sem função True RMS: medem o valor médio do sinal retificado e estimam o valor RMS pela equação

● Quando o sinal de entrada não for senoidal, a medição estará errada!

● Mais simples e baratos.

vRMS=π⋅vmed2√2


Medição de Corrente


Idealmente a impedância de entrada de um amperímetro deve ser nula. Assim, não haverá queda de tensão sobre o mesmo, que é ligado em série com o circuito.

Na prática, existe uma impedância entre as pontas de prova que pode interferir nas medições.

A

AmperímetroIdeal

+ - A

AmperímetroReal

Z+ -



A impedância de entrada costuma variar com a faixa de medição.

Exemplo retirado do manual do multímetro Minipa ET-2517.



A)Calcule o erro de medição devido à resistência interna do amperímetro.

50 mV

1 Ω A

AmperímetroReal

Z

R.: 76,75 % / 11,63 mA



B)Qual o menor valor que o resistor R pode ter de forma que o erro seja de no máximo 5 %? Há três respostas possíveis (depende da escala).

1 V

R A

AmperímetroReal

Z



C)Qual será a corrente se o multímetro do caso anterior, na escala de 5 A, for conectado em paralelo à uma fonte de 50 V?

A

AmperímetroReal

Z+ -

R.: 1666,67 A



A maioria dos multímetros possui um fusível em série com a saída de medição de corrente.

Para que o medidor funcione dentro da faixa de segurança especificada (CAT …) é imprescindível o uso do fusível adequado.

Características desejadas dos fusíveis devem ser consultadas no manual do fabricante:

– Tensão Nominal.– Corrente Nominal.– Capacidade de Interrupção.– Fusível de Alta Energia. Contém areia que absorve a

energia do choque e se vitrifica, cortando o oxigênio e bloqueando a bola de fogo.


Osciloscópio Digital

Osciloscópio Digital TDS1000C-EDU

Tensão máxima de entrada: 300 vRMS. Parâmetro pode variar com a frequência e o acoplamento (CA ou CC).

Resolução do AD: 8 Bits (25 níveis por divisão)

Largura de banda: Máximo de 40 MHz (varia com a escala).

f(MHz)

vE

40

vE√2



Número de canais: 2.

Taxa de amostragem: 5S/s a 1GS/s.

– Varia com a escala temporal. Normalmente a taxa máxima de 1GS/s será compartilhada entre os dois canais (500MS/s por canal).

– Assim, de acordo com a taxa de Nyquist, sinais de no máximo 250 MHz poderiam ser amostrados sem aliasing.



– Um sinal de 250 MHz já sofreria atenuação considerável devido à frequência de corte do equipamento (40 MHz).

Comprimento da memória: 2500 pontos.

Fontes de trigger:

– Canais de entrada.– Sinal de alimentação do osciloscópio.– Entrada auxiliar para trigger externo.

Tipos de trigger:

– Sinal de vídeo.– Sensível à borda.– Sensível à largura de pulso.



Trigger:

– Caso o osciloscópio mostrasse os sinais de tensão à medido que fosse feita a aquisição, eles preencheriam a tela rapidamente e sem sincronismo (o sinal ficaria “correndo” na tela).

– O sistema de trigger faz com que sinais periódicos sejam desenhados sempre no mesmo ponto da tela.

Modo de borda ascendente:

– O osciloscópio realiza medições em sequência e preenche sua memória (2500 pontos) ciclicamente (memória circular).

– Os sinais medidos são comparados com um nível de tensão definido pelo usuário (nível de trigger).



– Quando o sinal passar a ser maior que o nível de trigger, o índice k, que indica a posição da memória onde o último dado foi armazenado, é salvo. O dado de índice k ficará posicionado no centro da região acessível na tela do osciloscópio.

– Os 2500 pontos da memória são maiores que a região visível do display. O usuário pode deslocar o sinal horizontalmente para ver dados anteriores ou posteriores ao evento de trigger.



Modo largura de pulso:

– Realização do trigger em pulsos com uma largura especificada pelo usuário.

L L

Trigger quando largura = L Trigger quando largura ≠ L

L é a largura esperada para pulsos normais. No segundo caso, o usuário pôde detectar a existência de pulsos inesperados.


Referências

WEBSTER, J. G. Medical Instrumentation. Application and Design, 3ª Edição, John Wiley & Sons, 1998.

MALMIVUO, J., PLONSEY, R. Bioelectromagnetism. Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University Press, 1995.

PARES, Eletrônica, FLUKE. Quem estabelece as regras de segurança e testes elétricos? Fluke, 2004.

MINIPA. ET-2517. Manual de Instruções, São Paulo.

TEKTRONIX. TDS1000C-EDU. Manual de Instruções.

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