Principais instrumentos de medições de saídas analógicos que é usado na indústria

O acto de medir é uma prática quotidiana nas sociedades modernas, quer no plano pessoal quer nas actividades profissionais. Os técnicos, para saberem com o que contar e não terem de especular ou inferir, têm que efectuar medições. Só medindo é possível conhecer com rigor. Assim, especialmente nas áreas da engenharia e em particular na electrotecnia, a utilização de equipamentos de medição é uma necessidade imperiosa. Este artigo aborda as questões essenciais relacionadas com a utilização de equipamentos de medição de grandezas eléctricas comparando as características e os resultados das medições de equipamentos analógicos e digitais.

1› INTRODUÇÃO

Medir é um dos actos mais praticados por cada um de nós no nosso dia-a-dia. Por exemplo, ao olharmos para um relógio, seja digital ou de ponteiros (analógico) vemos no mostrador o resultado de uma medição de tempo. Comprar fruta no supermercado, abastecer o automóvel com combustível ou fazer uma chamada telefónica são outros actos usuais que têm implícitas medições.

Medir uma grandeza física é compará-la com outra grandeza da mesma espécie, sendo a medição o conjunto de operações que têm por objectivo determinar o valor da grandeza.

O acto de medir envolve a existência de unidades de medida, bem como instrumentação de medição que podem apresentar diferentes graus de precisão da medida desejada.

Na vertente electrotécnica é usual a medição de correntes, tensões, potências, energia, factor de potência, carga harmónica, intensidade luminosa, valor da resistência de terra, resistência de isolamento entre outras.

2› QUALIDADE DA MEDIÇÃO: ERRO, INCERTEZA E EXACTIDÃO

Previamente à realização de qualquer medição é imprescindivel ter a noção da ordem de grandeza do que se vai medir, bem como reconhecer e identificar as limitações dos instrumentos de medição que irão ser utilizados. Há inúmeros factores que podem contribuir para uma incorrecta medição tornando-se necessário identificá-los e classificá-los de modo a minimizar os erros que podem ocorrer nas medições.

O termo erro de medição utiliza-se para designar o afastamento entre o valor real de uma grandeza e o valor que é efectivamente medido. Habitualmente é especificado pelos fabricantes um parâmetro relativo ao grau de confiança de um determinado aparelho de medição, o qual é normalmente indicado como limite superior e inferior do erro que se pode cometer ao efectuar a leitura de uma determinada grandeza. Esse grau de incerteza é habitualmente expresso em (±) e representa os limites superiores e inferiores dentro dos quais estará o valor verdadeiro da grandeza medida.

Figura 1. Precisão e Exactidão.

A exactidão de uma medição representa o grau de concordância entre o resultado de uma medição e o valor verdadeiro da grandeza. A precisão é o grau de concordância entre várias indicações do valor de uma determinada grandeza. A classe de exactidão é a classe de instrumentos de medição que satisfazem certos requisitos metrológicos com vista a manter os erros dentro de limites especificados. A figura 1 ilustra os conceitos de precisão e exactidão.

Pode-se afirmar que nenhuma medição é totalmente isenta de erros, tornando-se, assim, imperioso estudar os diversos tipos de erros de forma a que seja possível minimizá-los aumentando a confiança nos valores medidos.

Numa medição existem várias potenciais fontes de incerteza como:

• Instrumento(s) de medição utilizado(s);
• Padrão;
• Técnico operador;
• Método de medição;
• Condições ambientais.

Estas fontes de incerteza poderão conduzir à ocorrência de erros de medição, os quais são usualmente classificados em três diferentes categorias:

1. Erros Grosseiros: resultantes de leituras incorrectas ou de utilização incorrecta dos equipamentos de medição. Normalmente associados a falhas do operador, podendo verificar-se no processo de leitura ou no processo de registo da leitura efectuada. Factores como a pressa, o cansaço ou mera distracção são causas comuns para a existência de erros grosseiros;
2. Erros Sistemáticos: ocorrem normalmente devido aos instrumentos utilizados ou às condições ambientais verificadas. Os aparelhos de medição distinguem-se por diversos factores tais como: dimensões, rapidez de resposta, estética, número de canais, número de grandezas a medir, etc.. No entanto, as características que têm maior influência na qualidade das medições são a exactidão, a resolução, a fidelidade, a rapidez da resposta e a sua neutralidade.
3. Erros Aleatórios: Após se evitarem os erros grosseiros e os erros sistemáticos, os erros aleatórios podem ser considerados como o resíduo do erro de medição. Uma forma de os eliminar passa pelo incremento da realização do número de medições e posterior análise estatística.

3› MÉTODOSDE MEDIÇÃO

Os métodos de medição podem ser classificados em: analógicos, digitais, de comparação, directos e indirectos.

3.1› Métodos Analógicos

É exemplo de método analógico a medição directa de uma tensão contínua com um voltímetro de indicação analógica ou os registadores galvanométricos, tais como um sismógrafo ou um electrocardiógrafo. Assim, qualquer medição utilizando um aparelho provido, por exemplo, com um ponteiro constitui um método analógico (entrada e saída analógica).

3.2› Métodos Digitais

Os métodos digitais de medição são todos aqueles cujo processo é realizado de forma digital, isto é códigos binários, sendo o resultado apresentado num visor por um valor numérico. São exemplos de métodos digitais de medição a utilização de multímetros digitais, contador digital, sistemas de instrumentação e instrumentação inteligente.

3.3› Métodos de Comparação

Os métodos de comparação a grandeza a medir é “comparada” com uma outra grandeza da mesma natureza e que tenha um valor conhecido. O método de medição por comparação é uma variante do método directo abordado no ponto seguinte.

Figura 2. Método de Comparação (método de substituição).

Figura 3. Precisão e Exactidão.

As figuras 2 e 3 representam exemplos do método de comparação (método de substituição e diferencial, respectivamente). No caso da figura 2, a grandeza a medir é substituída por uma outra grandeza da mesma natureza, de valor conhecido, escolhida para que os efeitos no dispositivo indicador sejam os mesmos. Existem ainda outros métodos de comparação como, por exemplo, o Método de Zero. Neste método o valor da grandeza a medir é determinado por equilíbrio, ajustando uma ou várias grandezas, de valores conhecidos, associadas à grandeza a medir por uma relação de equilíbrio conhecida, até se verificar uma condição nula (corrente ou tensão zero), num instrumento de medição.

3.4› Métodos Directos

Um dos métodos directos mais expedito, embora não necessariamente mais exacto, é a utilização de um ohmímetro, analógico (menos exacto) ou digital (mais exacto), ou seja, um instrumento de medição que dá directa¬mente num visor o valor da resistência [2].

Com efeito, pode-se definir como método de medição directo aquele em que o valor da grandeza é obtido directamente, ou seja, o valor da grandeza a medir é obtido de forma imediata como resultado da medição. A medição directa da potência com um wattímetro ou a medição de uma tensão com um voltímetro podem citar-se como exemplos.

3.5› Métodos Indirectos

Um método de medição indirecto, é aquele em que o valor da grandeza a medir é obtido através da medição de outras grandezas funcionalmente associadas com a grandeza a medir. Por exemplo, a medição indirecta de potência através da medição de tensão e corrente (2) ou a medição indirecta de uma resistência (3).

P = U x I (1)

R = U /I(2)

4› INSTRUMENTOS ANALÓGICOS

Efectuam a medição através do deslocamento de um ponteiro sobre uma escala graduada. Do ponto de vista construtivo possuem uma componente mecânica cujas características funcionais afectam directamente a exactidão da medida.

Figura 4 . Leitura de um valor num aparelho analógico.

Por construção, o instrumento assegura uma estreita correspondência entre os valores da grandeza medida e a amplitude do desvio, geralmente angular, da equipagem móvel à qual está acoplado um ponteiro que se desloca frente a uma escala convenientemente graduada. A grandeza a medir é assim convertida num valor numérico que lhe é proporcional [2].

Na situação de equilíbrio estático da equipagem móvel existe um equilíbrio entre o valor médio do binário associado à grandeza a medir (binário actuante) e valor do binário de deformação de uma mola. Conforme o princípio físico utilizado na obtenção do binário actuante existem diversos tipos de instrumentos analógicos: de quadro móvel, electrodinâmicos, electrostáticos e electromagnéticos.

Actualmente o campo de aplicação destes equipamentos são, preferencialmente, quadros eléctricos onde as grandezas eléctricas a analisar não apresentam grandes variações instantâneas e a leitura pretendida não necessita grande rigor.

De uma forma sucinta, as principais limitações resultantes do princípio de funcio¬namento dos instrumentos analógicos são basicamente as seguintes:

• Tempo de leitura elevado;
• Para sensibilidades elevadas as técnicas construtivas são delicadas e de elevado custo;
• As características não ideais dos componentes eléctricos que constituem o próprio equipamento de medida condicionam o comportamento do instrumento no domínio da frequência;
• O envelhecimento e o funcionamento dos instrumentos fora das condições de temperatura, pressão e humidade aconselhadas pelo fabricante afectam significativamente a sua exactidão;
• A utilização de ponteiros e escalas graduadas conduz a erros de visualização (paralaxe) bem como pelos erros de estimativa do próprio utilizador;
• São afectados pelos campos electromagnéticos de origem externa (ex: campo magnético terrestre);
• A sua operação é local e manual e existe dificuldade, ou mesmo impossibilidade em termos práticos, de os integrar em sistemas automáticas de medida;
• Exigem uma calibração periódica devido aos desajustes mecânicos associados à própria utilização dos instrumentos e a elevada sensibilidade em relação às condições ambientais;
• Total ausência de procedimentos de auto-calibração;
• Tipicamente a exactidão é limitada a 0,5 % ou na melhor das circunstâncias a 0,1 % do final da escala (instrumentos de classe 0,1).

5› INSTRUMENTOS DIGITAIS

Indicam directamente o valor da grandeza a medir através de vários algarismos ou dígitos. Com a emergência do desenvolvimento tecnológico e com a introdução do conversor analógico-digital na área da instrumentação, os sinais de características geralmente analógicas são convertidos e processados digitalmente, o que conduziu a uma maior exactidão, embora, na sua fase inicial, com tempos de processamento e custos associados mais elevados.

As principais diferenças entre um instrumento analógico e digital centram-se na existência de um conversor analógico-digital, na existência de processamento digital em detrimento de processamento analógico e na utilização de um visor numérico em lugar de um ponteiro e de uma escala para apresentação da grandeza a mensurar.

Um aspecto fulcral num instrumento digital é a escolha do conversor analógico-digital a usar. Assim, e no que toca às suas capacidades no domínio do tempo, a selecção é condicionada ao ritmo a que é necessário obter informação sobre a grandeza física. Assim, se, por exemplo, for necessário obter valores do mesurando a cada ms, o conversor tem de ser capaz de operar a um ritmo superior a 1 KHz [1].

Figura 5a. Aparelho digital real.

Figura 5b. Aparelho digital virtual.

As principais características dos instrumentos digitais são, basicamente, a sua menor sensibilidade a perturbações exteriores, maior resolução e capacidade de representação da medida de forma numérica.

Genericamente, os instrumentos digitais minimizam as necessidades de componentes mecânicos na sua concepção, podendo ainda ter capacidade de ajuste e controlo remoto. Uma outra das características inerente ao princípio de funcionamento deste instrumentos consiste na possibilidade de construir equipamentos portáteis com menor dependência face às condições de funcionamento que podem, num meio industrial, ser muito desfavoráveis para os instrumentos analógicos, como por exemplo a existência de ruído electromagnético, poeira, sujidade, posicionamento, etc. A ausência do ponteiro minimiza os erros de leitura do utilizador e permite obter resoluções superiores. Uma outra vantagem é a possibilidade de armazenamento e computação de resultados uma vez que a informação se encontra representada utilizando sinais eléctricos binários.

De uma forma resumida podem ser apontadas como principais limitações dos instrumentos digitais:

• Reduzida versatilidade de utilização, uma vez que as funções desempenhadas são determinadas de forma rígida pelo “hardware” utilizado;
• Custo mais elevado que os instrumentos analógicos;
• A utilização de conversores do tipo não integrador implica cuidados adicionais na filtragem de ruídos que eram filtrados mecanicamente pela própria inércia da equipagem móvel dos instrumentos analógicos (por exemplo influência do ruído de 50 Hz proveniente dos sistemas de alimentação);
• A inexistência de “software” poderá limitar alterações ao funcionamento dos instrumentos por parte do fabricante ou do utilizador.

6› CONCLUSÕES

No que diz respeito a instrumentos de medição de grandezas eléctricas existe uma grande diversidade de tipos de equipamentos com diferentes características, campos de aplicação e preços.

Hoje é evidente a predominância da instrumentação digital a qual se generalizou e apresenta, globalmente, vantagens significativas, relativamente à instrumentação analógica. No entanto, esta última continua ainda a ter alguns campos de aplicação específicos apresentando, em algumas situações, como grande vantagem competitiva o menor custo de aquisição.

7› BIBLIOGRAFIA

[1] J.M. Dias Pereira, P. Silva Girão “Instrumentação para medidas eléctricas: dos instrumentos analógicos aos instrumentos virtuais”, EST-IPS, Setúbal. [2] A. Campilho “Métodos de Medição e Instrumentação”, FEUP, Porto. [3] Luís Paredes, Domingos Santos “Noções de Metrologia”, ISEP, Setembro, 2006. [4] Sydenham P. and Thorn R., “Handbook of Measurement Science”, Vol.3, J. Willey&Sons, 1992.

AUTOR:António Gomes, Marílio Cardoso e Sérgio Ramos - Instituto Superior de Engenharia do Porto.

Quais os instrumentos de medição mais usados nas indústrias?

Quais são os instrumentos analógicos?

Quais são os principais instrumentos de medição?

Quais são os instrumentos industriais?