CURSO DE ELETRÔNICA - Erros de medição

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Erros em medição

Erro é uma diferença entre o valor real da grandeza medida e o valor indicado pelo instrumento. A Fig.1 ilustra este conceito.

Fig.1 Erro de um instrumento.

Os instrumentos se apresentam em uma grande variedade e com diferentes padrões de  qualidade. De modo geral, quanto menor o erro introduzido em uma medição, tanto melhor o instrumento.

A qualidade do instrumento é definida através de um parâmetro denominado de classe do instrumento.

As classes dos instrumentos são dadas em percentuais, tais como: classe 1,5, classe 1, classe 0,5 e classe 0,1.

Alguns instrumentos trazem a classe impressa na escala em lugar visível ao usuário, como o instrumento de painel mostrado na Fig.2.

 Fig.2 Indicação da classe no instrumento de painel.

Conhecendo-se a classe de um instrumento, pode-se determinar o valor máximo do desvio Dx provocado por ele através da equação:

                                                                                                   (1)

onde x é o valor do fundo de escala do instrumento e cl a classe.

Por exemplo, um voltímetro com escala de 250V e classe 1 introduz um desvio máximo na indicação de:

Como esse desvio pode ocorrer tanto para mais como para menos do valor real, escreve-se  Dx = ± 2,5V.

O desvio (Dx) calculado através dessa equação é denominado também de erro absoluto porque o seu valor depende apenas de fatores inerentes ao instrumento (classe e valor de fundo de escala), sendo independente do valor que o instrumento está medindo.

Isto pode ser esclarecido através de um exemplo. Um multímetro com fundo de escala 250V e classe 1 tem um erro absoluto de ±2,5V (calculado anteriormente).

-  Se este voltímetro está indicando 100V, o valor real da tensão pode estar entre 97,5 e 102,5V (100V ±2,5V).

-   Se este voltímetro está indicando 20V, o valor real da tensão pode estar entre 17,5V e 22,5V (20V ±2,5V).

Obviamente um erro de ±2,5V em medições como 100V, 120V ou mais, não chega a ser importante.

Entretanto, ±2,5V são significativos em medições como 20V, 30V e assim por diante.

Para se saber o quanto um erro é significativo em relação a uma medição, calcula-se o erro relativo Dp :

                                                                                              (2)

onde  Dx é o erro absoluto e  M é o valor medido com o instrumento.

Exemplo 1:

Determinar o erro absoluto de u voltímetro de 250V, classe 1 e os erros relativos nas medições de 100V e 20V.

Solução :

Erro absoluto                           Dx = ±2,5V

                   na medição de 100V        

                                                                    erro relativo 2,5%

                   na medição de 20V           

                                                                    erro relativo 2,5%

Verifica-se que um voltímetro de 250V classe 1 não é apropriado para medir tensões da ordem de 20V porque o erro percentual na medição é muito grande.

Daí, pode-se concluir que a indicação será mais precisa quanto mais próximo ao fundo da escala for o valor medido. Esta conclusão é válida para instrumentos de escala linear. Em instrumentos de escala não linear, tais como ohmímetros e voltímetros de CA, a indicação mais precisa ocorre no centro da escala.

Erros devido ao posicionamento

Além do erro provocado pelo instrumento, existem os seguintes fatores que interferem na confiabilidade de uma medição :

·     O posicionamento do instrumento.

·     O posicionamento do observador.

POSICIONAMENTO DO INSTRUMENTO

Os instrumentos de medição com indicação através de ponteiro, têm posição correta de trabalho definida. Existem instrumentos cuja posição correta de trabalho é vertical, outros horizontal e ainda alguns que são construídos para trabalhar em posição inclinada.

Alguns instrumentos trazem um símbolo no painel que indica a posição adequada de funcionamento, como mostrado na Fig. 3.

 Os símbolos empregados são:

Fig.3 Instrumento para operação na vertical.

No caso de multímetros, a posição de trabalho correta é horizontal.

Instrumentos como o osciloscópio que não têm peças móveis, podem operar em qualquer posição sem prejuízo para a indicação. Contudo, o operador deve procurar posicionar este tipo de instrumento de forma a ter visibilidade perfeita para a leitura.

POSICIONAMENTO DO OBSERVADOR

Outro fator de grande importância para a maior exatidão de uma medição é o posicionamento do observador para realizar a leitura.

Um único instrumento pode dar origem a três leituras diferentes se três observadores estiverem em posições diferentes, como ilustrado na Fig.4.

Fig.4 Leituras que dependem da posição do observador.

Dos três observadores, apenas o “B” está em posição correta para a leitura, formando um ângulo de 90º em relação ao painel do instrumento. É portanto, o único que pode realizar uma leitura correta.

Este tipo de erro provocado pelo posicionamento do observador é denominado de  erro de paralaxe.

 Erro de paralaxe é o erro provocado por um mau posicionamento do observador para a leitura.

Alguns instrumentos dispõem de um aparelho na escala que serve para orientação do observador ao se posicionar.

A posição correta para a leitura é aquela em que o reflexo do ponteiro no espelho está escondido atrás do próprio ponteiro (o reflexo não é visível ao observador).

 Efeito de carga

Todo o instrumento de medição absorve uma determinada corrente do circuito a que está ligado. Essa corrente é necessária para o seu funcionamento, como a corrente I_m  na Fig.5.

Fig.5 Corrente I_m é necessária para o instrumento operar.

Na maioria dos instrumentos, esta corrente é pequena, com valores típicos da ordem de microampères.

Denomina-se de sensibilidade de um instrumento a intensidade de corrente necessária para provocar a deflexão total do seu ponteiro.

  Sensibilidade de um instrumento é o valor de corrente que provoca a deflexão do seu ponteiro.

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA DE UM INSTRUMENTO

Se um instrumento de medição absorve uma certa corrente do circuito, pode-se dizer que este instrumento apresenta uma resistência interna entre os seus bornes, como mostrado na Fig.6.

Fig.6 Impedância de entrada de um instrumento.

Esta resistência que o instrumento apresenta entre seus bornes é denominada de impedância de entrada do instrumento (R_ent).

A impedância é muito importante principalmente para os voltímetros. A impedância de entrada de um voltímetro normalmente não é fornecida diretamente, mas pode ser determinada se a sensibilidade é conhecida.

Primeiro determina-se a característica ohms por volt (W/V) do voltímetro:

                                                                                                       (1)

onde I_m é a sensibilidade do instrumento.

Através da característica W/V, pode-se determinar a impedância de entrada do voltímetro, da seguinte forma :

                                                                                             (2)

onde R_ent é a impedância de entrada, x o valor de fundo de escala do instrumento e W/V a relação ohms por volt do instrumento.

Exemplo 1:

Um voltímetro para 25V deflexiona totalmente o ponteiro com uma corrente de 30mA. Qual a característica W/V do instrumento e sua impedância de entrada?

Solução :

Isto significa que um voltímetro de 25V com sensibilidade de 30mA se comporta como um resistor de 825 kW.

Suponha que o voltímetro de 25V citado seja utilizado para medir a tensão de saída de um divisor de tensão.

Ao conectar-se o voltímetro ao circuito, a sua resistência interna de 825kW fica em paralelo com a saída do divisor, atuando como se fosse uma carga, como ilustra a Fig.7.

Fig.7 O instrumento atua como carga no circuito.

Este paralelismo entre o voltímetro e a saída provoca uma redução de tensão fornecida pelo divisor, alterando o seu comportamento.

Esta relação não deveria acontecer, visto que o instrumento deve possibilitar a medição sem alterar o comportamento do circuito.

Quando ocorrem alterações no comportamento de um circuito devido a uma medição com um instrumento, diz-se que o circuito foi carregado pelo instrumento.

O efeito de carga provocado por um instrumento pode prejudicar completamente a precisão de uma medição.

Para ilustrar o efeito de carga, o seguinte exemplo determina a alteração que o instrumento provoca em uma medição.

Exemplo 2:

Tomando-se  o  divisor  de  tensão  da  figura abaixo,  e  o  voltímetro  de  25V  com  I_m = 30mA (R_ent = 825kW já calculada no Exemplo 1), verifique o seu efeito sobre a medição em R₂ .

Solução :

Enquanto o voltímetro não é conectado, a tensão de saída é 15V porque os resistores R₁ e R₂ são iguais.

Ao ligar o voltímetro, associam-se em paralelo o resistor R₂ e a impedância de entrada do voltímetro, como mostram as figuras que se seguem.

Recalculando-se o divisor, verifica-se que, ao conectar o voltímetro, a tensão de saída cai de 15V para 11,7V devido ao efeito de carga.

Quem estiver lendo o voltímetro concluirá que há um problema, pois a tensão de saída é 11,7V quando deveria ser 15V. Na verdade, o divisor está correto.

A partir do que foi exposto, podem-se tirar duas conclusões importantes:

·     Quanto maior for a impedância de entrada de um voltímetro, menor será o efeito de carga provocado no circuito.

·     Quanto maiores forem os valores de resistência de um circuito maior será a influência provocada pelo voltímetro.

Como os valores de resistência de um circuito dificilmente podem ser alterados, cabe ao técnico utilizar voltímetros com a maior impedância de entrada possível, minimizando-se, assim, o efeito de carga.

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA DO VOLTÍMETRO

Os multímetros sempre trazem a característica W/V gravada no seu painel. Em geral são dois valores: um para AC e outro para DC.

Por exemplo, pode-se encontrar no painel de um multímetro a seguinte inscrição: DC 50kW/V, AC 10kW/V.

Para saber qual a impedância de entrada em cada escala, usa-se o valor W/V correspondente (em DC ou AC) multiplicado pela escala em questão:

Exemplo 3:

Suponha-se um multímetro com as seguintes características:

Escalas

DCV 600; 250; 60; 25                               DC-50kW/V

ACV 1.000; 600; 100; 60                AC-10kW/V

Determinar a impedância da entrada nas escalas DCV600; DCV25 e ACV100.

Solução :

a) A impedância de entrada na escala DCV600 :

b) A impedância de entrada na escala DCV25 :

c) A impedância de entrada na escala ACV100 :

Erros nas medições simultâneas de corrente e tensão

Os medidores de corrente são muito empregados em eletrônica, principalmente para o levantamento das características de componentes em laboratórios.

Dependendo da forma como esses instrumentos são conectados ao circuito, podem ocorrer erros de medição.

Suponha, por exemplo, que se necessite medir a corrente e a tensão em um componente.

Existem duas formas de realizar essas medições, como mostrado na Fig.8

       (a)      

                                                                  (b)

Fig.8 Formas de medir tensão e corrente em um componente.

No circuito da Fig.8a o voltímetro indica a tensão no componente, mas o amperímetro indica a corrente do componente mais a corrente do voltímetro, como  mostrado em detalhe na Fig.9.

Fig.9 O amperímetro indica I_c+I_v .

No circuito da Fig.8b o amperímetro indica a corrente no componente, mas o voltímetro indica a tensão no componente mais a queda de tensão no amperímetro, como ilustrado na Fig.10.

Fig.10 O voltímetro indica V_A + V_C .

Conclui-se que nenhum dos circuitos fornece, ao mesmo tempo, indicações corretas de corrente e de tensão apenas num componente. Isto significa que é necessário determinar qual a configuração mais adequada para cada situação.

APLICAÇÕES DAS CONFIGURAÇÕES DE MEDIÇÃO

As medições de tensão realizadas em eletrônica são obtidas com o multímetro. Em geral, os multímetros têm uma característica W/V em DC superior a 20kW/V, absorvendo correntes da ordem de 50mA ou menos.

Por esta razão, o circuito utilizado para medição é, na maioria das vezes, o mostrado na Fig.11.

Fig.11 Configuração usual para medição de tensão e corrente .

Este circuito não é utilizado apenas quando a corrente a ser medida implicar no uso de microamperímetro.

Nas ocasiões em que for necessário empregar um microamperímetro, deve-se utilizar a outra configuração de medição, como pode ser visto na Fig.12.

Fig.12 Configuração para medição de corrente e tensão se esta é superior a  1,5V.

Existe ainda uma ressalva com relação a este tipo de medição. Os microamperímetros geralmente provocam uma queda de tensão da ordem de 0,15V. Por esta razão esta configuração deve ser utilizada apenas para tensões de entrada superiores a 1,5V.

CURSO DE ELETRÔNICA - Analise de defeitos pro medição.

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Análise de defeitos por medição

A análise de defeito por medição consiste na verificação das condições de funcionamento dos componentes de um circuito através de interpretação dos valores de tensão, corrente e resistência medidos na pesquisa.

Medindo os valores reais encontrados nos circuitos e comparando com os determinados em um esquema é possível detectar a região do equipamento que não está funcionando corretamente. O desenvolvimento de um método de pesquisa é indispensável para aqueles que se dedicam à manutenção de equipamentos.

CONDIÇÕES NECESSÁRIAS

Para que seja possível executar uma análise de um circuito defeituoso por meio de medições, é necessário dispor dos valores corretos que o circuito deve apresentar quando funciona corretamente. Esses valores podem ser obtidos de duas maneiras:

·        Através do esquema, onde aparecem os valores de tensão e/ou corrente nos pontos chave do circuito, como mostrado na Fig.1.

Fig.1 Esquema mostrando os valores de tensão em pontos chave.

·        Analisando propriamente o circuito e determinando as condições corretas de funcionamento.

Para obter os valores por este método é necessário um conhecimento profundo de todos os componentes, seus princípios e condições de funcionamento para determinar a sua função no circuito. Este tipo de análise só pode ser realizado por pessoas que tenham capacidade, conhecimentos e experiência no ramo da eletrônica.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

As medições são realizadas para comparar os valores do circuito com os valores fornecidos no esquema.

Através de comparação, determinam-se quais os pontos onde os circuitos não estão funcionando corretamente.

  As medições de corrente raramente são empregadas na pesquisa porque implicam na interrupção do circuito para colocação em série do instrumento, o que geralmente não é prático.

Uma vez que a realização de medições é feita para possibilitar uma comparação de valores, não existe objetivo prático em medir quando não se conhece, de alguma forma, os valores corretos que deveriam ser encontrados.

MÉTODO DE PESQUISA

Geralmente as características do defeito que o circuito apresenta fornecem alguma indicação do setor em que se encontra o componente danificado. Quando isto não acontece, o procedimento correto é realizar as medições do início para o fim do circuito. Este procedimento permite testar as etapas do circuito uma a uma, eliminando aquelas que funcionam corretamente, até encontrar a parte onde as medições não conferem com as do esquema.

Isto não significa que se deva medir componente por componente. Os circuitos eletrônicos têm pontos-chave que permitem verificar as suas condições de funcionamento com poucas medições. Os esquemas comerciais trazem os valores apenas nestes pontos representativos, como ilustrado na Fig.2.

Fig.2 Tensões em pontos chaves.

Uma vez isolada a região do circuito que não está funcionando corretamente, passa-se então a uma análise individual e detalhada dos componentes que a constituem. Nesta região deve ser realizada uma medição completa, anotando-se os valores encontrados sobre o esquema. Assim será possível observar, simultaneamente, as condições de funcionamento dos componentes em teste.

Com os valores anotados, o profissional pode utilizar algumas perguntas que auxiliam a localizar o defeito, como por exemplo:

·        O que pode levar a tensão neste ponto a um valor mais alto ou mais baixo?

·        Quem controla a corrente neste ramal?

·        O que estabelece a tensão neste ponto?

·        Que defeito este componente costuma apresentar?

Estas perguntas levam ao princípio de operação do circuito, auxiliando a compreensão do seu funcionamento. É importantíssimo estabelecer as relações entre os valores medidos e os componentes que atuam sob estes valores. Somente desta maneira é possível localizar-se um elemento defeituoso dentro de um circuito.

Quando se determina através da análise, que um componente específico é a causa do mau funcionamento, deve-se retirá-lo do circuito e testá-lo individualmente. Se o componente estiver danificado, procede-se a sua substituição. O componente danificado deve ser substituído por outro de mesmas características, para que o circuito volte a funcionar corretamente.

O método de pesquisa bem desenvolvido leva o pesquisador cada vez mais próximo ao componente danificado. Para isto, cada medição é importante e deve ser interpretada apropriadamente.

A execução diária de trabalhos de manutenção propicia ao profissional um autodesenvolvimento da capacidade técnica, possibilitando inclusive a criação de um método de pesquisa próprio.

ANÁLISE DE DEFEITO EM UM CIRCUITO ELÉTRICO

A seguir, é apresentado circuito simples com um defeito que servirá para exemplificar o desenvolvimento de uma pesquisa, etapa por etapa. O diagrama elétrico desse circuito pode ser visto na Fig.3.

Fig.3 Lâmpada alimentada por uma tensão de 4,5V.

Segundo o esquema apresentado na Fig.3, quando a chave S₁ é ligada a lâmpada deve acender. Entretanto, quando S₁ é ligada a lâmpada não acende.

OBJETIVO DA PESQUISA

Localizar o componente ou ligação que impede o circuito de funcionar corretamente.

Etapas da pesquisa

Primeira etapa

Verificar com um multímetro a tensão nos pólos da bateria, como mostrado na Fig.4.

Fig.4 Teste da bateria.

Interpretação da leitura

O valor encontrado é correto, de acordo com a especificação da bateria.

Conclusão

A bateria está fornecendo a tensão correta ao circuito.

Segunda etapa

Fechar a chave e verificar se existe tensão após a chave, como indicado na Fig.5.

Fig.5 Medição da tensão depois da chave.

Interpretação da leitura

A tensão após a chave é a mesma tensão da bateria.

Terceira etapa

Verificar se há tensão sobre os bornes da lâmpada, conforme ilustrado na Fig.6.

Fig.6 Medição da tensão sobre a lâmpada.

Interpretação da leitura

Não existe tensão nos terminais da lâmpada. Por isso ela não está acendendo.

Pergunta

Por que a tensão presente na chave não chega aos terminais da lâmpada?

Resposta

O condutor que interliga a chave à lâmpada pode estar rompido (aberto).

Procedimento

Verificar a continuidade do condutor com um ohmímetro.

Execução

Desligar a chave S1, porque o ohmímetro não pode ser utilizado em circuitos energizados e testar a continuidade com o ohmímetro, como mostrado na Fig.7.

Fig.7 Teste de continuidade.

O ohmímetro deve indicar 0W porque se o condutor está bom as pontas de prova ficam em curto. Ao realizar a leitura do ohmímetro, verifica-se que este indica altíssima resistência o que significa que existe uma interrupção entre a chave e a lâmpada, como indicado na Fig.8.

Fig.8 Indicação de descontinuidade no condutor entre a chave e a lâmpada.

Procedimento

Refazer a ligação entre chave e lâmpada com outro condutor. Este é um exemplo de correção de defeito por pesquisa. Supondo-se que após a substituição do condutor e após ligar-se a chave S₁ a lâmpada continue apagada, deve-se continuar a pesquisa.

Quarta etapa

Verificar novamente a tensão nos bornes da lâmpada, como ilustrado na Fig.9.

Fig.9 Medição da tensão nos bornes da lâmpada.

Interpretação da leitura

A tensão presente nos bornes da lâmpada é correta.

Pergunta

Por que a lâmpada não acende se a tensão nos seus bornes é correta?

Resposta

A lâmpada pode estar danificada, com seu filamento rompido.

Procedimento

Testar a continuidade do filamento com o ohmímetro.

Execução

Retirar a lâmpada do circuito e testá-la com o ohmímetro, como mostrado na Fig.10.

Fig.10 Teste da lâmpada com o ohmímetro.

Caso o filamento esteja realmente rompido, o ponteiro do ohmímetro não se deslocará sobre a escala.

Procedimento

Substituir a lâmpada por outra de mesma característica (4,5V-1,5W) previamente testada.

ANÁLISE DE UM DEFEITO EM UM DIVISOR DE TENSÃO

A seguir, é apresentado um divisor de tensão com defeito que será analisado para exemplificar novamente o desenvolvimento da pesquisa.

Segundo o esquema apresentado na Fig.11, o divisor de tensão reduz uma tensão de alimentação de 15V (na entrada) para 6V (na saída) que serve para operar o relé (RL). A ligação da chave S₁ deve provocar a operação do relé instantaneamente. Entretanto, quando a chave S₁ é ligada, o relé (RL) não opera.

Fig.11 Divisor de tensão.

OBJETIVO DA PESQUISA

Localizar o componente ou ligação que impede o circuito de funcionar corretamente.

Etapas da pesquisa

Primeira etapa

Verificar com um voltímetro se os terminais de entrada do circuito recebem a tensão de alimentação, conforme ilustrado na Fig.12.

Fig.12 Verificação da tensão de alimentação.

Interpretação da leitura

O valor encontrado é um pouco menor que o indicado no esquema.

Observação

A diferença encontrada pode ser provocada pelo percentual do erro do instrumento ou por erro da leitura.

Conclusão

A tensão na entrada do circuito está correta.

Segunda etapa

Fechar a chave e verificar se há tensão nos extremos do divisor (pontos A, B), conforme ilustrado na Fig.13.

Fig.13 Verificação se há tensão nos extremos do divisor.

Interpretação da leitura

Não há tensão após a chave. A chave deve estar defeituosa.

Pergunta

Por que não há tensão na saída da chave se ela está ligada?

Resposta

A chave pode estar defeituosa, não realizando a conexão elétrica dos terminais quando é colocada na posição ligada.

Procedimentos

Desconectar a chave do circuito e testá-la isoladamente com um ohmímetro.

Execução

Colocar a chave na posição ligada e conectar as ponteiras do ohmímetro sobre os seus terminais, conforme mostrado na Fig.14.

Fig.14 Teste da chave.

O ohmímetro deve indicar 0. No entanto, isto não acontece.

Conclusão

A chave está com defeito.

Procedimento

Substituir a chave por outra, previamente testada.

Para que o exercício proposto de pesquisa de defeitos possa prosseguir, admita que a chave não é o único componente danificado.

Com a substituição da chave, a segunda etapa toma a nova configuração apresentada na Fig.15.

Fig.15 Nova configuração do circuito da Fig.11.

Interpretação da leitura

A tensão após a chave está correta.

Conclusão

A chave está funcionando corretamente.

Terceira etapa

Verificar a tensão sobre os terminais da carga, como ilustrado na Fig.16.

Fig.16 Verificação da tensão sobre a carga.

Interpretação da leitura

Não há tensão na saída do divisor.

Pergunta

Que causas podem levar a tensão de saída do divisor a 0?

Resposta

Um curto nos terminais de saída. Resistor R₁ aberto.

Procedimento

Medir a resistência entre os dois bornes de saída do divisor com a chave S₁ desligada.

Execução

Conectar o ohmímetro diretamente aos dois bornes de saída do divisor (com a alimentação desligada). O ohmímetro não deve indicar resistência 0, que significa um curto circuito entre os terminais, como pode ser visto na Fig.17.

Fig.17 Conexão do ohmímetro na saída do divisor.

 A indicação do ohmímetro deverá ser o valor de resistência existente entre dois bornes. Este valor é resultante da associação paralela do relé com R₂.

Interpretação da leitura

A resistência entre os bornes de saída está correta.

Conclusões

 (1) não há curto-circuito nos terminais de saída do divisor e (2) o resistor R₂ e o relé não estão danificados.

 A segunda conclusão resulta da análise da resistência encontrada no ohmímetro, comparada com o valor determinado no cálculo do paralelo R₂ com o relé. Se o R₂ ou o relé estivessem com o valor muito alterado (além da tolerância), o valor lido com o ohmímetro, seria bastante diferente do calculado. Por exemplo, valor calculado 17W e valor lido 90W.

Pergunta

Que outro componente pode impedir a existência de tensão na saída do divisor ?

Resposta

O resistor R₁ se estiver aberto (interrompido).

Procedimento

Desconectar R₁ do circuito e medir a sua resistência, conforme ilustrado na Fig.18.

Fig.18 Medição da resistência R_1.

O ohmímetro deve indicar o valor normal da resistência (250W) admitindo-se a tolerância.

Na medição realizada, o ponteiro não se movimentou em nenhuma escala. Resistência infinita.

Interpretação da leitura

O resistor não permite a passagem da corrente elétrica.

Conclusão

O resistor está aberto.

Procedimento

Substituir o resistor danificado por outro de igual valor e potência de dissipação (250W 1W) previamente testado.