Instrumentação e Medidas - estt.ipt.pt Instrumentacao_e... · Um conta rotações integra n ao...
Transcript of Instrumentação e Medidas - estt.ipt.pt Instrumentacao_e... · Um conta rotações integra n ao...
1
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #223
Contagem de Energia:
Energia Activa: P(t)dt=W
2
1
t
t∫∫∫∫
Unidade de W: Joule (J) 1 J = 1 W x 1 s = 1 Ws (energia: W=P.t)
1 KWh = 1KW x 1h =1000W x 3600s = 3.6x106J
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #224
Energia Reactiva:
Q(t)dt=W2
1
t
tr ∫∫∫∫
Unidade de Wr usada na contagem: KVArh 1KVArh = 1KVAr x 1h
Compensação da energia reactiva
2
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #225
Contador de Indução:
ΦΦΦΦv induz correntes Iv no discoΦΦΦΦi induz correntes Ii no disco
ΦΦΦΦv interage com Ii originando Fv => TvΦΦΦΦi interage com Iv originando Fi => Ti
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #226
(((( ))))
.rF
fluxo pelo induzida
I corrente a sobre fluxo do acçao I, T
I
V
IIIII vv
φφφφ
φφφφφφφφ
↓↓↓↓
→→→→(((( ))))
.rF
fluxo pelo induzida
I corrente a sobre fluxo do acçao I, T
V
I
IVIVV ii
φφφφ
φφφφφφφφ
↓↓↓↓
→→→→
Binários motores:
Tm = Tv – TiBinário motor
3
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #227
(((( )))) (((( ))))ββββββββφφφφφφφφ
φφφφφφφφφφφφφφφφββββsinsin
e fluxos os entre desfasagem argarg VI
efefMIVM
VI
IUKKT ========→→→→−−−−====
========→→→→−−−−============→→→→====
PKIUKT
QKIUKT
MefefMM
MefefMM
ϕϕϕϕϕϕϕϕββββϕϕϕϕϕϕϕϕββββ
cosº90
sin
A posição do shunt magnético SM e o valor da resistência auxiliar RA permitem controlar o ângulo ββββ através da actuação na dispersão do circuito magnético de tensão
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #228
Ìman permanente binário amortecedor TA cria a condição da velocidade de equilibrio
nKT AA ====
n – velocidade de rotação do disco
PKT MM ====
No equilibrio dinâmico: dn/dt = 0 PKK
nTTA
MAM ====⇒⇒⇒⇒====
Um conta rotações integra n ao longo do tempo:
aWN
WKK
dttntNtNNA
Mt
t
====
========−−−−==== ∫∫∫∫2
1
)()()( 12
a – constante do contador [rot/KWh]
4
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #229
Contagem de Energia em Sistemas Trifásicos Contador trifásico: 2 ou 3 sistemas motores (sobre o mesmo disco ou sobre discos
individuais solidários com o mesmo eixo)Ligação do contador trifásico:identica à dos wattímetros na medição de potência activa
Sistema trifásico a 4 fios (cargas equilibradas ou desiquilibradas): 3 sistemas motores
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #230
Sistema trifásico a 3 fios (cargas equilibradas ou desequilibradas): 2 sistemas motores – método de Aron
5
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #231
Contagem de Energia Reactiva Utilização de contadorestrifasicos de energia reactiva: montagens idênticas às da contagem de energia activa
Utilização de contadorestrifasicos de energia activa: montagen idênticas à utilizada na medição de potência reactiva com wattímetros
3/'WWR ====
Medida pelo contador
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #232
Consumidores em B.T. com S < 19,8 kVA
Tarifa simples (1 contador)
Tarifa bi - horaria (2 contadores)
Consumidores em B.T. com 19.8< S < 39,6 kVATarifa tri-horária (3 contadores
Esquema total de energia activa e reactiva
Consumidores com S>39.6kVA
6
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #233
Instrumentação Electronica
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #234
Sensibilidade de voltímetros
tensão de Escalainterna aResistênci====adeSensibilid
VkΩ
Vk50
500/10 ====ΩΩΩΩEx:
Medidas logarítmicas
0 dBm 1mW
)log(.10 mWPdBm ==== 1010dBm
mWP ====
0 dBµV 1µV
)log(.20 VVVdB µµµµµµµµ ==== 2010VdB
VVµµµµ
µµµµ ====
7
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #235
N1 N2
RsI1I2
RL
FSD
Rm
Medição de corrente alterna
12
21
NN
II ====
Rm
FSD
D2
D1RS
Vi
Medição de tensão alterna
Rs
FSD
Rm
Vi
Onda completa
Meia onda
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #236
A
Vb
V
µµµµIv
Vm
malha
Anel de guarda
Is
Is - corrente superficial
Medição de resistências de elevado valor
Vm ≅≅≅≅ 0
A
Vb
V
µµµµ anel de guarda
1000V5000V
8
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #237
N1 N2
R1R2
Rx
Fonte de
alta tensão
1kV - 5kV
Mega ohmimetro 0 – 500MΩ
N1 N2Vb
oscilador
Gerador de tensão
Vb
oscilador
Multiplicador com diodos
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #238
Multimetro de bancada
Multimetro analogico
Multimetro digital
9
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #239
Erro = % da leitura + ultimo digito
Ex: 1 digito = 1mV
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #240
Multimetros analogicos Amperimetro
VoltimetroOhmímetro
10
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #241
Multímetros electrónicos
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #242
A medição de RX faz-se por comparação com uma resistência de referência
Calibre 1 = U = U (maxima tensao que pode ser convertida)
ex: U = 3V max E
E
1 max
max↵
Calibre 2 = U =R + R + R
R + R. U > Umax
1 2 3
2 3E max2 max 1
Calibre 3 = U =R + R + R
R.U > Umax
1 2 3
3E max3 max 2
11
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #243
Multímetros electrónicos
Q1Vi
+Vcc
Rs
Rm
FSD
Vbe
Im
Ib
43421Erro
RmRsVbe
RmRsVi
RmRsVbeVi
++++−−−−
++++====
++++−−−−====Im
ββββIm≈≈≈≈Ib
)( RmRsIbVi
Ri ++++======== ββββ
para 1>>>>>>>>ββββ
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #244
Compensação de Vbe
Q1Vi
+Vcc
R2 R3
FSD
Im
Ib
R1Rs Rm
V1 V2
Q2
R4
R5
R6
-Vcc
RmRsVi
ViVVVbeV
VbeViV
RmRsVV
++++====
====−−−−
−−−−====−−−−====
++++====−−−−
Im
212
1
)Im(21
Q1
Vi
+Vcc
R2 R3
FSD
Im
Ib
R1Rs Rm
V1 V2
Q2
R4
R5
R6
-Vcc
Zi
Voltímetro com FET na entrada
∞∞∞∞→→→→>>>>>>>>
Zi
ZiZi bipolar
Vin max 25VVin min 100mV
12
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #245
Q1Vi
Re
FSDIm
Ib
R1
Rs Rm
V1 V2
Q2
-Vcc
R2
Rc Rc
+Vcc
ajuste zero
Ro
Amplificação para sinais fracos < 100mV
Vi
Ra
Rb
Rc
Rd
Rs+Rm
FSD
atenuador entrada
R1
R2
Voltímetro electrónico
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #246
Rm
FSD
R3
ViIm
Conversor tensão corrente
3Im
RVi====
Rm
FSD
R3
V1Im
Rs
I
3Im
RRs
I====
Sensor de corrente
13
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #247
Rm
FSD
Rs
ViIm
Rectificação de meia onda
RsVi====Im
Rm
FSD
Rs
Vi
Rectificação de onda completa
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #248
Instrumentação Digital
14
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #249
Instrumentação digital
P
N
a
b
c
d
e
f g
LED
a gb c d e f
+VccAnodo comum
Vd ≅ 1.2VId ≅ 20mA
RIC
open colector
+Vcc
LED
R
IC
+Vcc
LED
cristal
vidro
espelho
activo
Luz
LDC – Cristal liquido
Vg ≅ 8V onda quadrada 60HzIg ≅ 300µA
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #250
LDC – Cristal liquido
15
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #251
Divisor por 2
Flip-Flop D
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #252
Contador Binario 3 estados
16
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #253
Contadores digitais
ck
D Q
Qn
ck
Qt
t
Contador por 2
ck
D Q
QnR ck
D Q
QnR ck
D Q
QnR ck
D Q
QnR
Q0 Q1 Q2 Q3
pulso fim de contagem
Contador de década (10)
3 2 1 0 ck0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 2
1 0 0 0 81 0 0 1 91 0 1 0 100 0 0 0 0
reset
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #254
contador
decada
ck
Q3 Q0
conversor
BCD
Digito
7 segmentos
%10
BCD
%10
BCD
%10
BCD
%10
BCD
ck
Flip- Flop
1 9 9 9 9
Contador genérico
17
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #255
ck%10 %10 %10
E1 E2 E3
%10
En
BUS BCD
BUS
E1 E2 E3 E4
Multiplexagem
E1 E2 E3
t
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #256
18
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #257
Exemplo de um voltimetro digital
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #258
Osc
Display
Contadorresetoscilador
em rampa
Vr
ViVo
Conversor analógico digital ADC em rampa
Vi
Vr
Vot1 t2
21
)21(
ttTTVr
k
ttkVr
++++====
====
++++====
TVrVi
t
tTVr
Vi
====
====
1
1
TckT
VrVi
N
FckVrVi
NNTckTVrVi
t
NTckt
⋅⋅⋅⋅====
====⇒⇒⇒⇒========
====
1
1
Vx R
Vr
C
∫∫∫∫−−−−====t
dxxVxRC
Vr0
)(1
19
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #259
Vo
R R R
2R 2R 2R 2R
2R
D C B A
Conversor D/A Digital Analógico R-2R
(((( ))))16
248Vi
ABCDVo ++++++++++++====
VmaxVi∆V
Out
2 -1N
12max
−−−−====∆∆∆∆ N
VV
ConversãoA/D Precisão voltímetros digitais
Precisão = % leitura + último digito(% rdg +1)
Ex:
V=1.800V (0.5% +1)Erro=0.5% de 1.8V + 0.001V
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #260
Osc
Display
Contador
V2
C
R
V1
Vi
-Vr
fim de contagem
N1
reset
Vx
V3
Conversor A/D em dupla rampa
V1
V2
t1 t2
α1 α2
Vp
1
)(1
10
tRCVi
Vp
dttVxRC
Vt
−−−−====
−−−−==== ∫∫∫∫
RC
VrRCVi
====
−−−−====
2
1
αααα
αααα21 t
RCVr
tRCVi ====
====
====
========
VrViN
N
VrNTckTckViN
NTckt
TckNt1
1
2
11
Conversão só depende da precisão de VrN1 é o modulo do contador
Circuito utilizado nos voltímetros digitais
20
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #261
Conversor A/D em dupla rampa
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #262
ICL 7126
21
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #263
R1
R2
R3
Vin 2V
20V
200V
Vb
autorange
comparador
Vr10M
100pF
pFMZi 100//10≈≈≈≈
conversorRMS
DC
AC
RMS
Vi
ADconversor
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #264
Frequencimetro
22
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #265
Osc
Display
ContadorN1
schmitttrigger
Vin
amp
V1
V2
V3
reset
Frequencimetro digital
1s
V1
V2
V3
Base de tempo
1s
100ms
10ms
1ms
V2Precisão ±±±± LSD ±±±± erro base de tempo
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #266
Reciprocal counting e Medição de período
Osc
Display
ContadorN1
schmitttrigger
Vin
amp
V1
V2
V3
reset1s
V2
V1
V3
Base de tempo
100us
10us
1us
100ns
V2
Precisão superior para frequências baixas. Permite a medição do período directamente
23
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #267
Display
ContadorN1
schmitttrigger
Vin1
amp
V1
V2
V3
reset
schmitttrigger
Vin2
amp
Medição de rácio de frequências e tempo entre pulsos
Display
ContadorN1
schmitttrigger
Vin1
amp
V1
V3
reset
schmitttrigger
Vin2
amp
OscV2
S
R
Rácio de frequências Tempo entre pulsos
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #268
24
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #269
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #270
Geradores de FunçõesE
Monoestáveis
25
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #271
Gerador de funções
21
4
121
1
221
2121
21
2)(2
11
0
RR
RCTTF
TRR
RCTT
RCVcc
RR
Vcc
RCV
dttVRC
Vt
====++++
====
========⇒⇒⇒⇒====
−−−−====−−−−==== ∫∫∫∫
C
R1
R2
V1V2
R
Onda triangular
Onda quadrada
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #272
Conversão onda triangular sinusoidal
26
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #273
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #274
Monoestável com 555
RCRCT
VccV
VeVccTVc
TH
THRC
T
1.13ln32
1)(
≈≈≈≈====
====
====
−−−−====
−−−−
27
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #275
Monoestável com ampop
21
1
13 11
ln
RRR
CRT
++++====
−−−−====
ββββ
ββββ
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #276
Monoestável com portas CMOS
Saída da porta CMOSa) Lowb) High
Circuitos de protecção das entradas
28
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #277
2ln2
1)(
RCT
VccV
VeVccTVc
TH
THRC
T
====
====
====
−−−−====
−−−−
(((( ))))
−−−−⋅⋅⋅⋅
++++++++====
THVVddVdd
RonRR
RonRCT ln
Monoestável com portas CMOS
Circuito equivalente
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #278
Biestável com portas CMOS
−−−−⋅⋅⋅⋅====++++====
THTH VVddVdd
VVdd
RCttT ln21
−−−−−−−−====
++++====
TH
TH
TH
TH
VVddVVdd
RCt
VVVdd
RCt
2ln2
ln1
29
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #279
Ra
Rb
C
D1
Vcc
6
2
7
8
1
555
Oscilador com 555 que permite factor de ciclo < 50%Frequência fixa
R
C
Control
R1
protecção
Oscilador controlado
control
saída
R2
CR1
R3
D1
D2
R1 > 2 R
Oscilador que permite factor de ciclo variavel. Frequência fixa
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #280
30
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #281
Conversor V-F
mono
C
R
Vo
reset
Vi
-Vrestavel
T
-Vr
VrdttViRC
Vo −−−−====−−−−==== ∫∫∫∫ )(1
RCVrVi
fRCViVr
t.
====⇒⇒⇒⇒====
R
C
D
ck
Q
Vi
Vx
Vo
Conversor delta
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #282
F/V
V/F
mono
C
R
VoVr
estavel
Fin
Ia
RC
IFinTI
T
T
RCVo amono
amono −−−−====−−−−====
0
1
31
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #283
Aplicação de um conversor F/V
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #284
oscilador DACMemoriaVo
Gerador de ondas arbitrarias
32
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #285
Teste de DACs
Instrumentação e Medidas
© Jorge Guilherme 2008 #286