Departamento de Engenharia Elétrica
DESENVOLVIMENTO DE AMPERÍMETRO ALICATE BASEADO EM
MAGNETÔMETROS GMR PARA MEDIÇÃO DE CORRENTES
ELÉTRICAS CONTÍNUAS
Alunos: Marcos Civiletti de Carvalho e Camila Schuina Neves
Orientador: Carlos Roberto Hall Barbosa
Introdução
Amperímetros do tipo alicate são tradicionalmente usados em aplicações de engenharia
elétrica para medição de correntes alternadas, sendo baseados no posicionamento de uma
bobina ao redor do condutor elétrico. A corrente elétrica alternada gera um campo magnético
circunferencial (também alternado) ao redor do condutor, e este campo magnético alternado
induz uma corrente elétrica na bobina do amperímetro. Como há uma proporcionalidade
direta entre a intensidade do campo magnético e a amplitude da corrente elétrica (seja no
condutor primário ou na bobina), é possível associar a corrente elétrica na bobina à corrente
que se deseja medir. No caso de correntes contínuas, contudo, não há indução de corrente
elétrica na bobina, pois o campo magnético circunferencial é contínuo. Neste caso, é
necessário medir diretamente o campo magnético contínuo, com o auxílio de algum transdutor
de fluxo magnético, e associar a magnitude deste campo magnético com a magnitude da
corrente elétrica primária. O magnetômetro GMR baseia-se em um elemento resistivo cuja
resistência varia com o módulo do campo magnético tangencial à mesma, adequando-se assim
perfeitamente à aplicação de medição de corrente elétrica a partir do campo magnético
circunferencial a ela associado.
Objetivos
O objetivo geral deste projeto é desenvolver um amperímetro do tipo alicate, que
permita a medição de correntes elétricas sem a necessidade de alteração do circuito, baseado
em magnetômetros GMR, o que permitirá a medição de correntes contínuas e alternadas.
Metodologia
Uma corrente elétrica passando por um fio gera um campo magnético circular ao seu
redor, cuja intensidade em cada ponto varia conforme a intensidade da corrente e a distância
que se encontra do fio [1]. Logo, conhecendo-se o campo magnético gerado pela corrente em
um ponto do espaço e a distância desse ponto ao fio pelo qual ela passa, é possível calcular o
valor dessa corrente.
Já o magnetômetro GMR consiste em um material cuja resistência elétrica varia
consideravelmente conforme o campo magnético no qual se encontra [2], sendo possível,
então, estimar esse campo conforme varia a resistência do elemento GMR. Foi utilizado um
sensor GMR comercial composto por quatro resistores GMR em configuração de Ponte de
Wheatstone, sendo dois resistores magneticamente blindados. A ponte, alimentada por tensão
ou corrente constante, produz diferentes tensões de saída de acordo com a variação de
resistência dos dois sensores GMR que não são blindados.
Como o objetivo é estudar a viabilidade da confecção de um amperímetro, a utilização
de somente um GMR não seria suficiente, pois é necessário conhecer a distância do GMR ao
fio no qual há a passagem de corrente para que se possa estimá-la. Para resolver este
problema, foi proposta uma configuração com dois magnetômetros GMR, mantidos a uma
distância fixa e conhecida um do outro (3 cm). Assim, medindo-se a variação de tensão de
ambos os magnetômetros GMRs é possível estimar a corrente, independentemente da
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distância do fio aos sensores, e também estimar a própria distância entre os GMRs e o
condutor.
Uma das questões iniciais a ser resolvida foi o problema da resistência do GMR variar
apenas com o módulo do campo magnético, e não com o sentido do mesmo. Para contornar
esse problema, foi posicionado um ímã permanente próximo aos sensores, polarizando-os em
uma região linear, de forma que correntes elétricas em um sentido aumentam o campo
aplicado ao sensor, enquanto que no sentido oposto diminuem esse campo, sem inverter o
sentido do mesmo.
Em uma primeira etapa, foi montada uma bancada experimental que consistia em uma
placa de circuito universal, contendo o circuito do GMR e um furo pelo qual passa
perpendicularmente o condutor, o qual é ligado a uma fonte de corrente de forma a controlar o
campo magnético a ser gerado. A entrada do GMR foi alimentada por uma fonte de tensão,
enquanto a saída era ligada diretamente a um voltímetro. Essa bancada se mostrou ineficiente,
devido ao fato do circuito do GMR possuir flutuações na saída que prejudicavam a medição
do campo magnético – as variações de tensão na saída geradas pela corrente eram da mesma
ordem de grandeza das flutuações do próprio GMR. Percebeu-se, ainda, grandes variações da
resistência do GMR com a temperatura ambiente.
Para melhorar a qualidade do protótipo, de forma a verificar a viabilidade da utilização
de sensores GMR como medidores de corrente, foram feitas alterações na bancada: a
alimentação dos sensores passou a ser feita por fontes de corrente baseadas em amplificadores
operacionais (AmpOps), ao invés de fontes de tensão, o que reduz significativamente a
variação com a temperatura do GMR. Além disso, a saída dos GMRs passou a ser lida por um
amplificador de instrumentação (INA), com ganho 50, melhorando significativamente a
relação sinal-ruído e permitindo zerar o offset geral do circuito.
Conclusões
Os estudos preliminares realizados corroboraram a hipótese de poderem ser utilizados
sensores GMRs para o desenvolvimento de um amperímetro CC do tipo alicate, embora ainda
sejam necessários aperfeiçoamentos no circuito eletrônico de condicionamento.
O amperímetro GMR que está sendo desenvolvido tornará possível a medição da
corrente elétrica em condutores de maneira mais prática que a dos amperímetros encontrados
no mercado, sejam eles convencionais – que necessitam interromper o circuito, fazendo com
que a corrente a ser medida passe totalmente pelo amperímetro – ou do tipo clamp (alicate) –
que necessitam envolver totalmente o condutor cuja corrente se deseja medir. O amperímetro
GMRs necessita simplesmente de uma aproximação ao condutor, estimando simultaneamente
a corrente elétrica e a distância.
Referências
1 - EDMINISTER, Joseph A. Eletromagnetismo. 1.ed. Rio de Janeiro: Editora McGraw-Hill
do Brasil, 1980. 232p.
2 – DA SILVA, Eduardo Costa. Desenvolvimento de transdutor baseado na fase da
Magnetoimpedância Gigante para medição de campos biomagnéticos. 2010. 116 f.
Dissertação de Mestrado em Metrologia – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro,
Rio de Janeiro