07. acetatos medição de forças e binários

Instrumentação e Controlo Medição de Forças e Binários

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Instrumentação e Controlo

Medição de Forças e Binários



MEDIÇÃO DE FORÇAS E BINÁRIOS

Força e Binário � grandezas relacionadas

Força � calculada por vários métodos �

Binário � calculado através da força aplicada, distância do ponto deaplicação e centro de rotação

comparaçãoacelerómetroscélulas de carga


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Medição de forças � Comparação directa

Método mais simples de medir uma força

Comparação com uma força conhecida de uma massa padrão

Balança de pivot central



Medição de forças � Comparação indirecta

Método mais simples de medir uma força

Comparação com uma força conhecida de uma massa padrão

Balança de massa deslizante


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1ª lei de Newton � todos os corpos permanecem em repouso atéque uma força externa actue sobre eles

2ª lei de Newton � força aplicada sobre um corpo é o produto da suamassa pela sua aceleração

Determinar a força aplicada sobre um corpo � medir a aceleraçãoaplicada sobre esse corpo

Medição de forças � Acelerómetros



Acelerómetro � Medir a aceleração de um corpo de massa conhecidasobre o qual é exercida uma força



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Controlo de estabilidade dos automóveis � calcular forças a que oveículo é submetido

Computadores � evita que o disco rígido se danifique parando-odurante movimentos bruscos




Encher um copo até meio

Colocar o copo em cima de um objecto móvel

Empurrar o objecto móvel para a frente � devido à aceleração umadas partes laterais do copo fica mais cheia que a outra

Calcular o ângulo de inclinação da água � determinar a força aplicada

Objecto móvel em repouso � nível da água estabiliza no copo �

nenhuma força lateral está a actuar



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Constituído por um material piezoeléctrico artificialmente polarizadocolocado entre a base e o corpo (massa)

Materiais piezoeléctricos � cristais, cerâmicos

Dispensam fonte de alimentação


Medição de forças � Acelerómetros piezoeléctricos


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Força devida à aceleração � massa actua sobre material piezoeléctrico

Material piezoeléctrico accionado mecanicamente � gera cargaeléctrica de alta impedância* proporcional à força aplicada

Carga eléctrica proporcional à força + massa constante � cargaproporcional à aceleração



*impedância � resistência à corrente eléctrica (impedância varia com a frequência)



Acelerómetros com saída de carga eléctrica de alta impedância

Medir com exactidão � tensão de baixa impedância

Circuito electrónico de condicionamento de sinal (ganho, filtragem) interno

Conversão interna de carga eléctrica de alta impedância em tensão debaixa impedância

Usados em aplicações industriais, transmissão a grandes distâncias

Ligados a directamente a instrumentos de medição

Integrated Circuit Piezoelectric



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Acelerómetros com saída de carga eléctrica de alta impedância

Medir com exactidão � tensão de baixa impedância

Circuito electrónico de condicionamento de sinal (ganho, filtragem) externo

Conversão externa de carga eléctrica de alta impedância em tensão debaixa impedância

Usados em laboratórios, elevadas temperaturas ou quando modelos debaixa impedância não podem ser usados




Acelerómetros � classe superior

Feitos de cristais seleccionados

Usam circuitos electrónicos de baixo ruído

Carcaça exterior feita em aço inox 316L

Hermeticamente selados � ambientes industriais severos



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Acelerómetros � classe industrial

Aplicações de uso geral com elevada qualidade (ACC101)

Usados em toda a indústria (máquinas-ferramentas)

Baixo custo

Hermeticamente selados � ambientes industriais severos (ACC102)




Acelerómetros � triaxial

Medem vibração em três eixos X, Y e Z

3 cristais � cada um reage a vibração num eixo diferente

Saída com 3 sinais � representar a vibração em cada um dos 3 eixos

Saída 10 mV/g, intervalo dinâmico ±500 g, gama 3 - 10 kHz (ACC301)

Construído em titânio (ACC301)



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Acelerómetros � elevada vibração

Monitorizar níveis de alta vibração

Usados em laboratórios de análises de vibração, maquinaria pesada

Menor massa e sinal de saída que os acelerómetros industriais

Saída 10 mV/g, intervalo dinâmico ±500 g, gama 3 - 10 kHz (ACC103)

1,5 gramas de peso com fixação adesiva (ACC104)




Aplicações


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Força mecânica � aplicada a um elemento elástico imóvel

Transdutor � converte força num sinal de saída eléctrico analógico

Conversão obtida à custa da deformação física de uma célula de carga

Variação nas dimensões do elemento elástico imóvel � proporcionalà força aplicada

Medição de forças � Células de carga



pneumáticashidráulicaseléctricas � extensómetros


Células de carga � sinal de saída �

Células de carga � modo de detecção do peso �

flexãocorte (shear)

compressãotensão (stress)


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Load Cell Performance Comparison

Type Weight Range Accuracy Applications Strength Weakness

Mechanical Load Cells

Hydraulic Up to 10000000 lb 0,25% FSTanks, bins, hoppers.

Hazardous areas.

High impacts.

Insensitive to

temperature

Expensive, complex

Pneumatic Wide HighFood industry,

hazardous areas

Intrinsically safe.

Contains no fluids

Slow response. Requires

clean, dry air

Strain Gage Load Cells

Bending Beam 10 - 5k lbs 0,03% FS Tanks, platform scalesLow cost, simple

construction

Strain gages are exposed,

require protection

Shear Beam 10 - 5k lbs 0,03% FSTanks, platform scales,

off- center loads

High side load

rejection, better

sealing and protection

Canister to 500k lbs 0,05% FSTruck, tank, track, and

hopper scales

Handles load

movementsNo horizontal load protection

Ring and

Pancake5 - 500k lbs Tanks, bins, scales All stainless steel No load movement allowed

Button and

washer

0 - 50k lbs

0-200 lbs1% FS Small scales Small, inexpensive

Loads must be centered, no

load movement permitted




Medição de forças � Células de carga � Pneumáticas

Conversão de variável � Conversão de força � pressão

Aumento de pressão do gás proporcional à força aplicada

Compressão exercida sobre o gás � calcular a força F

Gás � usadas em industrias com requisitos de higiene e segurança

Gama de forças < células de carga hidráulicas

Usadas quando o uso de equipamento eléctrico é interdito (explosão)


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Conversão de variável � Conversão de força � pressão

Aumento de pressão do fluido hidráulico proporcional à força aplicada

Compressão exercida sobre o fluido hidráulico� calcular a força F

Gama de forças > células de carga hidráulicas

Usadas quando o uso de equipamento eléctrico é interdito (explosão)

Medição de forças � Células de carga � Hidráulicas


Célula de carga � Transdutor de carga

Transdutor de carga � Converte a força aplicada em sinais eléctricos

Célula de carga � detecta a força como variação na tensão eléctrica

Tensão eléctrica � altera a resistência eléctrica de modo proporcionalà força aplicada


Medição de forças � Células de carga � Eléctricas


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Constituídas por um elemento deformável em alumínio comdiferentes geometrias contendo extensómetro(s) ligado(s) numcircuito em ponte de Wheatstone

Extensómetros � aplicados nas zonas mais susceptíveis de sofreremdeformação



Peso aplicado na célula de carga � tracção e compressão

Peso aplicado na célula de carga � maior distorção nas zonas demenor espessura

Extensómetro � detecta a distorção � variação na tracção ecompressão segundo a direcção indicada � detectada como sendouma variação na resistência eléctrica




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Dimensão do extensómetro varia de acordo com a deformação elástica

Tracção � secção do fio ↓ e comprimento ↑ � resistência ↑

Compressão � secção do fio ↑ e comprimento ↓ � resistência ↓





Diferentes formas � diferentes aplicações (indústria, investigação)



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Ligação em ponte de Wheatstone

Ponte completa � 4 extensómetros

Meia ponte � 2 extensómetros + 2 resistências

Aumentar sensibilidade + compensar temperatura � 4 extensómetros(2 em tensão + 2 em compressão)




Células de carga de compressão

Formato cilíndrico semelhante a um botão

Excelente estabilidade a longo prazo

Ideais para locais reduzidos

Baixo custo



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Células de carga em S

Excelente rejeição de cargas laterais

Usadas para pesagem de veículos

Usadas quando a carga aplicada pode ser de compressão ou tracção




Células de carga de flexão

Usadas para controlo de processos industriais, pesagem de tanques,sistemas de pesagem de plataforma

Ideais para locais de reduzidas dimensões

Construção simples

Baixo custo



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Células de carga de corte

Usadas para controlo de processos industriais, pesagem de tanques,sistemas de pesagem de plataforma

Melhor protecção e estanquecidade

Excelente rejeição de cargas laterais



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Células de carga de invólucro

Usadas em sistemas de pesagem simples e múltiplos

Construídas em aço inoxidável

Hermeticamente seladas para aplicação em ambientes húmidos


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Células de carga de baixo perfil

Usadas quando a carga aplicada pode ser de tracção/compressão ouapenas de compressão

Usadas em sistemas de pesagem, monitorização de forças

Medição de carga imóvel

Fácil instalação




Células de carga de compressão/tracção

Ideais para locais de reduzidas dimensões

Fácil instalação � extremidades roscadas

Usadas quando a carga aplicada variar entre compressão e tracção

Células de carga de plataforma

Usadas em sistemas de pesagem comerciais e industriais

Excelente exactidão nas medições independentemente da posição dacarga na plataforma



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Constituído por indutores formados por enrolamentos eléctricos numcilindro externo oco no interior do qual se desloca um cilindro sólido

Deslocamento do cilindro sólido � produz sinal eléctrico proporcionalà sua posição

Medição de forças � LVDT


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Usado em vários tipos de dispositivos mecânicos que necessitam deconverter uma posição física num sinal eléctrico

Ausência de atrito entre cilindro externo e cilindro interno � longavida útil do dispositivo além de assegurar uma excelente resolução

Medição de forças � LVDT



Medição de forças � Comparação com força magnética

Fácil ligação a sistemas de aquisição de dados

Pouco sensíveis ao ambiente

Dimensões compactas

Resposta rápida

Fácil utilização


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Medição de binário

Binário � grandeza relacionada com transmissão de energia/potênciaem máquinas rotativas (motores, turbinas, compressores, etc.)

Binário � medido por um dinamómetro

Dinamómetro�freio de tambor (freio de Prony)freio eléctrico (gerador eléctrico)transdutores de binário (extensómetros)




Diagrama de blocos � circuito de controlo para medição de binário


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Diferentes ligações entre o dinamómetro e o motor a ensaiar



Medição de binário � Freio de tambor � Freio de Prony

Cinto enrolado no tambor do freio � ligado a um veio

Extremidades do cinto � ligadas a duas balanças dinamométricas

Parafuso de carga � regula o binário de atrito aplicado ao tambor

Rotação do veio � tensão diferente em ambos os lados do tambor

Binário � calculado pelo produto entre a diferença e o raio do tambor


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Braço � ajustado na posição horizontal pela adição de peso depois deajustar o parafuso de carregamento para um nível adequado de aperto

Binário � calculado pelo produto entre o braço e o peso

Energia absorvida pelo tambor dissipada como calor � arrefecer otambor com água que circula por tubos existentes no bloco ou tambor






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Gerador eléctrico � acoplado ao veio do motor cuja potência desaída se pretende medir

Carga do dinamómetro � corrente eléctrica do gerador passa por umbanco de resistências

Energia gerada � dissipada como calor pelo banco de resistências


Medição de binário � Freio eléctrico


Braço � ligado ao estator � assenta numa balança de plataforma(célula de carga)

Estator � binário devido à rotação do rotor (forças electromagnéticas)

Binário � fornecido pela força de reacção que actua no ponto onde obraço assenta sobre a balança de plataforma

Binário � calculado pelo produto entre o braço e o valor indicado pelabalança de plataforma


Medição de binário � Freio eléctrico


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Medição de binário � Transdutores de binário � Extensómetros

Medir o binário necessário para torcer um veio

Binário aplicado no veio � ligeira torção � tracção na direcção a 45°do eixo do veio

Binário aplicado no veio � ligeira torção � compressão na direcçãoperpendicular à anterior



Binário � calculado pela tensão de corte a que o veio é submetido

Veio sujeito a torção � tensão principal = tensão de corte

Tensões principais� tracção/compressão ao longo das duas diagonais



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Extensómetros colados no veio sob aforma de ponte de Wheatstone completa

Braços da ponte dispostos num quadradoorientado a 45° em relação ao eixo do veio

Dois extensómetros alinhados com a direcção de tracção e outros doisalinhados com a direcção de compressão



Binário aplicado no veio


Extensómetro alinhado com a direcção em que sofretracção � aumento da resistência eléctrica

Extensómetro alinhado com a direcção em que sofrecompressão � diminuição da resistência eléctrica

Variação na resistência eléctrica � variação na tensão de saída �

proporcional à tensão de alimentação


07. acetatos medição de forças e binários

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