O que é um medidor?

Um medidor é qualquer dispositivo construído para detectar e exibir com precisão uma quantidade elétrica em uma forma legível por um ser humano. Normalmente, esta “forma legível” é visual:movimento de um ponteiro em uma escala, uma série de luzes organizadas para formar um “gráfico de barras” ou algum tipo de exibição composta de algarismos numéricos. Na análise e teste de circuitos, existem medidores projetados para medir com precisão as quantidades básicas de tensão, corrente e resistência. Existem muitos outros tipos de medidores também, mas este capítulo cobre principalmente o projeto e a operação dos três básicos.

A maioria dos medidores modernos tem um design “digital”, o que significa que seu display legível tem a forma de dígitos numéricos. Projetos mais antigos de medidores são de natureza mecânica, usando algum tipo de dispositivo indicador para mostrar a quantidade de medição. Em ambos os casos, os princípios aplicados na adaptação de uma unidade de exibição para a medição de quantidades (relativamente) grandes de tensão, corrente ou resistência são os mesmos.

O que é um movimento de medidor?

O mecanismo de exibição de um medidor é frequentemente referido como um movimento , pegando emprestado de sua natureza mecânica para mover um ponteiro ao longo de uma escala para que um valor medido possa ser lido. Embora os medidores digitais modernos não tenham partes móveis, o termo “movimento” pode ser aplicado ao mesmo dispositivo básico que executa a função de exibição.

Movimento do medidor eletromagnético

O design de “movimentos” digitais está além do escopo deste capítulo, mas os designs de movimento do medidor mecânico são muito compreensíveis. A maioria dos movimentos mecânicos é baseada no princípio do eletromagnetismo:a corrente elétrica através de um condutor produz um campo magnético perpendicular ao eixo do fluxo da corrente. Quanto maior a corrente elétrica, mais forte é o campo magnético produzido.

Se o campo magnético formado pelo condutor puder interagir com outro campo magnético, uma força física será gerada entre as duas fontes de campos. Se uma dessas fontes estiver livre para se mover em relação à outra, isso acontecerá à medida que a corrente for conduzida através do fio, o movimento (geralmente contra a resistência de uma mola) sendo proporcional à intensidade da corrente.

Os primeiros movimentos de medidor construídos eram conhecidos como galvanômetros , e geralmente foram projetados com o máximo de sensibilidade em mente. Um galvanômetro muito simples pode ser feito de uma agulha magnetizada (como a agulha de uma bússola magnética) suspensa por um fio e posicionada dentro de uma bobina de fio. A corrente através da bobina de fio produzirá um campo magnético que desviará a agulha de apontar na direção do campo magnético da Terra. Um galvanômetro de corda antigo é mostrado na seguinte fotografia:



Esses instrumentos foram úteis em sua época, mas têm pouco lugar no mundo moderno, exceto como prova de conceito e dispositivos experimentais elementares. Eles são altamente suscetíveis a movimentos de qualquer tipo e a quaisquer distúrbios no campo magnético natural da Terra. Agora, o termo "galvanômetro" geralmente se refere a qualquer projeto de movimento do medidor eletromagnético construído para sensibilidade excepcional, e não necessariamente um dispositivo bruto como o mostrado na fotografia.

Movimentos práticos do medidor eletromagnético podem ser feitos agora, onde uma bobina de fio giratória está suspensa em um forte campo magnético, protegida da maioria das influências externas. Tal projeto de instrumento é geralmente conhecido como ímã permanente, bobina móvel , ou PMMC movimento:



Na imagem acima, a “agulha” do movimento do medidor é mostrada apontando para algo em torno de 35 por cento da escala total, zero sendo totalmente à esquerda do arco e a escala real totalmente à direita do arco. Um aumento na corrente medida fará com que a agulha aponte mais para a direita e uma diminuição fará com que a agulha caia de volta para seu ponto de repouso à esquerda. O arco no visor do medidor é rotulado com números para indicar o valor da quantidade que está sendo medida, seja ela qual for.

Em outras palavras, se leva 50 µA de corrente para conduzir a agulha totalmente para a direita (tornando isso um "movimento de escala total de 50 µA"), a escala teria 0 µA escrito na extremidade esquerda e 50 µA no bem à direita, 25 µA sendo marcado no meio da escala. Com toda a probabilidade, a escala seria dividida em marcas de graduação muito menores, provavelmente a cada 5 ou 1 µA, para permitir que quem está vendo o movimento inferir uma leitura mais precisa da posição da agulha.

O movimento do medidor terá um par de terminais de conexão de metal na parte traseira para que a corrente entre e saia. A maioria dos movimentos do medidor é sensível à polaridade, uma direção da corrente direcionando a agulha para a direita e a outra direcionando-a para a esquerda. Alguns movimentos do medidor têm uma agulha centrada na mola no meio da varredura da escala em vez de à esquerda, permitindo medições de qualquer polaridade:



Movimentos sensíveis à polaridade comuns incluem os designs D'Arsonval e Weston, ambos instrumentos do tipo PMMC. A corrente em uma direção através do fio produzirá um torque no sentido horário no mecanismo da agulha, enquanto a corrente na outra direção produzirá um torque no sentido anti-horário.

Alguns movimentos do medidor são de polaridade- em sensível, contando com a atração de uma palheta de ferro móvel e não magnetizada em direção a um fio condutor de corrente estacionário para desviar a agulha. Esses medidores são ideais para a medição de corrente alternada (CA). Um movimento sensível à polaridade apenas vibraria para frente e para trás inutilmente se conectado a uma fonte de CA.

Movimento do medidor eletrostático

Enquanto a maioria dos movimentos do medidor mecânico são baseados no eletromagnetismo (fluxo de corrente através de um condutor criando um campo magnético perpendicular), alguns são baseados na eletrostática:isto é, a força atrativa ou repulsiva gerada por cargas elétricas no espaço. Este é o mesmo fenômeno exibido por certos materiais (como cera e lã) quando friccionados. Se uma tensão for aplicada entre duas superfícies condutoras em um entreferro, haverá uma força física atraindo as duas superfícies, capaz de mover algum tipo de mecanismo indicador.

Essa força física é diretamente proporcional à tensão aplicada entre as placas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as placas. A força também independe da polaridade, tornando este um tipo de movimento do medidor insensível à polaridade:



Infelizmente, a força gerada pela atração eletrostática é muito pequeno para tensões comuns. Na verdade, é tão pequeno que esses projetos de movimento do medidor são impraticáveis ​​para uso em instrumentos de teste em geral. Normalmente, os movimentos do medidor eletrostático são usados ​​para medir tensões muito altas (muitos milhares de volts).

Uma grande vantagem do movimento do medidor eletrostático, entretanto, é o fato de ter uma resistência extremamente alta, enquanto os movimentos eletromagnéticos (que dependem do fluxo de corrente através de um fio para gerar um campo magnético) têm resistência muito menor. Como veremos em maiores detalhes a seguir, maior resistência (resultando em menos corrente extraída do circuito em teste) contribui para um voltímetro melhor.

Tubo de raios catódicos

Uma aplicação muito mais comum de medição de tensão eletrostática é vista em um dispositivo conhecido como Tubo de Raios Catódicos ou CRT . São tubos de vidro especiais, muito semelhantes aos tubos das telas de televisão. No tubo de raios catódicos, um feixe de elétrons viajando no vácuo é desviado de seu curso pela voltagem entre pares de placas de metal em cada lado do feixe.

Como os elétrons são carregados negativamente, eles tendem a ser repelidos pela placa negativa e atraídos pela placa positiva. Uma inversão da polaridade da tensão entre as duas placas resultará em uma deflexão do feixe de elétrons na direção oposta, tornando este tipo de medidor sensível à polaridade de “movimento”:



Os elétrons, tendo muito menos massa do que as placas de metal, são movidos por essa força eletrostática muito rápida e prontamente. Seu caminho desviado pode ser rastreado conforme os elétrons colidem com a extremidade de vidro do tubo, onde atingem uma camada de fósforo químico, emitindo um brilho de luz visto do lado de fora do tubo. Quanto maior a voltagem entre as placas de deflexão, mais longe o feixe de elétrons será “dobrado” de seu caminho reto, e mais longe o ponto brilhante será visto do centro na extremidade do tubo.

Uma fotografia de um CRT é mostrada aqui:



Em um CRT real, conforme mostrado na fotografia acima, existem dois pares de placas de deflexão em vez de apenas um. A fim de ser capaz de varrer o feixe de elétrons ao redor de toda a área da tela, em vez de apenas em uma linha reta, o feixe deve ser desviado em mais de uma dimensão.

Embora esses tubos sejam capazes de registrar com precisão pequenas tensões, eles são volumosos e requerem energia elétrica para operar (ao contrário dos movimentos do medidor eletromagnético, que são mais compactos e acionados pela potência do sinal de corrente medido que passa por eles). Eles também são muito mais frágeis do que outros tipos de dispositivos de medição elétricos. Normalmente, tubos de raios catódicos são usados ​​em conjunto com circuitos externos precisos para formar uma peça maior de equipamento de teste conhecido como um osciloscópio , que tem a capacidade de exibir um gráfico de voltagem ao longo do tempo, uma ferramenta extremamente útil para certos tipos de circuitos onde os níveis de voltagem e / ou corrente estão mudando dinamicamente.

Indicação em escala real

Qualquer que seja o tipo de medidor ou tamanho do movimento do medidor, haverá um valor nominal de tensão ou corrente necessária para dar uma indicação de escala completa. Em movimentos eletromagnéticos, esta será a “corrente de deflexão de escala total” necessária para girar a agulha de forma que ela aponte para o final exato da escala de indicação. Em movimentos eletrostáticos, a classificação em escala real será expressa como o valor da voltagem resultando na deflexão máxima da agulha acionada pelas placas, ou o valor da voltagem em um tubo de raios catódicos que desvia o feixe de elétrons para a borda de a tela de indicação. Em “movimentos” digitais, é a quantidade de tensão que resulta em uma indicação de “contagem total” no display numérico:quando os dígitos não podem mostrar uma quantidade maior.

A tarefa do projetista do medidor é pegar um dado movimento do medidor e projetar o circuito externo necessário para a indicação de escala total em alguma quantidade especificada de tensão ou corrente. A maioria dos movimentos do medidor (exceto os movimentos eletrostáticos) são bastante sensíveis, dando indicação de escala completa em apenas uma pequena fração de volt ou ampere. Isso é impraticável para a maioria das tarefas de medição de tensão e corrente. O que o técnico geralmente requer é um medidor capaz de medir altas tensões e correntes.

Ao tornar o movimento do medidor sensível parte de um circuito divisor de tensão ou corrente, a faixa de medição útil do movimento pode ser estendida para medir níveis muito maiores do que o que poderia ser indicado apenas pelo movimento. Resistores de precisão são usados ​​para criar os circuitos divisores necessários para dividir a tensão ou a corrente apropriadamente. Uma das lições que você aprenderá neste capítulo é como projetar esses circuitos divisores.

REVER:

• Um “ movimento ”É o mecanismo de exibição de um medidor.
• Os movimentos eletromagnéticos funcionam com base no princípio de um campo magnético sendo gerado por corrente elétrica através de um fio. Exemplos de movimentos de medidores eletromagnéticos incluem os designs D’Arsonval, Weston e palhetas de ferro.
• Os movimentos eletrostáticos funcionam com base no princípio da força física gerada por um campo elétrico entre duas placas.
• Tubos de raios catódicos (CRTs) usam um campo eletrostático para dobrar o caminho de um feixe de elétrons, fornecendo indicação da posição do feixe pela luz criada quando o feixe atinge a extremidade do tubo de vidro.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de projeto do amperímetro
• Planilha de projeto do voltímetro