ANÁLISE DE PROJETOS

CÉLULAS DE CARGA

Medição de Força

• Forma:

– Direta: comparação através de balanças de alavancas com peso morto.

– Indireta: a partir da medição de outras grandezas (deformações, velocidade acústica, aceleração, etc.)

• Métodos para medições indiretas:

– Hidráulicos: convertem força em variação de pressão;

– Óticos: interferometria, difratômetros;

– Acústicos: extensômetro de corda vibrante;

– Elétricos: utilizam sensores de deslocamento (capacitivos ou medem relutância) ou resistivos (EREs)

– Magnetoelásticos: materiais ferromagnéticos variam dimensões quando magnetizados ou mudam permeabilidade magnética quando deformados;

– Piezoelétricos: cristais piezoelétricos geram carga elétrica quando deformados e vice-versa.

Células de Cargas

• Transdutores: são instrumentos que transformam algum tipo de

sinal neles induzido pela quantidade a ser medida num outro sinal

que pode ser medido e registrado.

• Células de carga: são transdutores de força que utilizam

extensômetros de resistência elétrica como elementos sensores.

• Elementos de uma célula de carga:

– Elemento de mola: material e geometria rigidez K.

– Sensor: por exemplo, extensômetro de resistência elétrica.

– Circuito de condicionamento do sinal do sensor: por exemplo, ponte de

Wheatstone.

– Circuito de indicação do sinal do transdutor.

– Circuito de zeragem inicial e circuito de calibração.

Princípio básico dos EREs – sensibilidade à

deformação dos fios metálicos condutores

Diâmetro D

Área A

Comprimento L

A

dA

L

dLd

R

dR

A

dA..Ld.

A

LdL.

A

A

LR

dR

A

dA..Ld.

A

LdL.

AdR

A

L.R

2

2

1

Extensômetros de Resistência Elétrica

d.KR

dR

..cK

d...cR

dR

dd..d..dcR

dR

d..dcd

d..dA

dA

L

dL

V

dV

AdLLdAdV

A.LVmas

Bridgemandetetanconsaéconde

V

dV.c

d

BridgemanSegundo

1221

1221

22

2

2

dd..d

R

dR

Poissondeecoeficientoéonde

d..A

dA

L

dL.d.d

D

dDmas

D

dD.

A

dAdD.D..dA

D.A

dA

dAd

R

dR

L

dLd

A

dA

L

dLd

R

dR

A

L.R

xy

2

2

24

24

2

Equação fundamental para

os EREs

.KR

R

Lf

L

Li

L

L

Lln

L

dLd

,sdeformaçõepequenasparae

L

Lln.K

R

Rln

,tetanconsKpara

L

dL.Kd.K

R

dR

d.KR

dR

K,csequeNotar

..cK

i

f

i

f

i

f

21

1221

Material Composição K Aplicação

Advance ou

Constantan

45% Ni

55% Cu 2.1Uso geral. K é

constante até

8%.

Karma

74% Ni

20% Cr

3% Al

3% Fe

2.0

Melhor

compensação

de temperatura,

resistência à

fadiga e

estabilidade.

Isoelastic

36% Ni

8% Cr

0.5% Mo

55.5% Fe

3.6Uso geral. Mais

sensível à

temperatura.

Nichrome80% Ni

20% Cr 2.1Para trabalhos a

altas

temperaturas.

Resistentes à

oxidação.

Platina-

Tungstênio

92% Pt

8% W 4.0

Armour D

70% Fe

20% Cr

10% Al

2.0

Materiais

para EREs

x

x

yy

Elemento sensor de

deformação. Condutor,

só sente e mede

deformação na sua

direção longitudinal, x

Superfície do

componente que

está sob

deformação

Cabo condutor

para levar sinal

elétrico ao

condicionador de

sinais, AWG 24-28

Terminal para

conectar por solda

o ERE ao cabo

condutor

Camadas de

proteção: verniz,

epóxi, borracha

RTV, massa 3M

Adesivo:

cianoacrilato,

resina epóxi, cola

cerâmicaBase do ERE,

para resistência e

rigidez para

manuseio, feita de

papel, resina

epóxi ou fenólica

ou poliimida

EREs típicos

R1+R1R2+R2

D

C

B

A E

V

A equação básica para uma ponte de

Wheatstone inicialmente balanceada é:

RdepequenosvaloreseR

Rr

R

R

R

R

R

R

R

R.

r

r.VE

1

2

4

4

3

3

2

2

1

1

12

R4+R4

R3+R3

Ponte de Wheatstone

Ponte de Wheatstone – Ligações típicas para células de cargas

Ponte Completa– Esforço Normal ou Flexão – Compensação Elétrica

do Efeito de Temperatura

Além de dobrar a resposta de uma ligação em meia ponte, a ligação

em ponte completa também elimina eletricamente a influência:

•da temperatura na resposta dos EREs e

•de efeitos espúrios de outros esforços com relação àqueles que

são o objetivo principal de medição.

E.K.V.K.VE

Flexão

E.

K.V..

K.VE

.

Tração

xy

1

212

4

Ponto 3 T

D

C

B

A

Ponto 1 T

Ponto 4 T

Ponto 2 T

X

PP

Pontos 1 e 3

Pontos 2 e 4

Pontos 1 e 3

Pontos 2 e 4

M

MX

Y

Z

Elementos de Mola

• Carregamento e geometria rigidez K.– Características necessárias:

• Suportar o carregamento e proporcionar deformação adequada para ser medida (ou deslocamento adequado para ser medido).

• Ter comportamento linear elástico.

• Ter estabilidade com temperatura e tempo.

• Geometria/carregamento devem ser tais que relação entre a força a ser medida e qualquer outro sinal devido a solicitações espúrias deve ser muito alta.

– Tipos básicos:• Tração, compressão: cargas grandes.

• Flexão: cargas pequenas.

• Cisalhamento: cargas médias (porém vantagem está na eliminação de sinais espúrios devido à posição da carga).

– Tipos• Coluna, haste trativa;

• Viga em flexão - engastada, bi-engastada, anel, placa;

• Cisalhamento: coluna, viga, placa.

Elementos de Mola - Exemplos Flexão

Elementos de Mola - ExemplosFlexão - Anel

Elementos de Mola - ExemplosFlexão

Elementos de Mola - Exemplos

Flexão

Elementos de Mola - ExemplosFlexão

Elementos de Mola - ExemplosColuna

Elementos de Mola - ExemplosColuna

Elementos de Mola - ExemplosCisalhamento

Elementos de Mola - ExemplosCisalhamento

Elementos de Mola – Exemplos de Aplicação

Elementos de Mola – Exemplos de Aplicação

Elementos de Mola – Exemplos de Aplicação

Elementos de Mola – Exemplos de Aplicação

Sistemas de Medição e Transdutores – Outros Tópicos

• Medição de Torque

• Medição de Pressão

• Transmissão de Sinais para Componentes Girantes

• Minimizando o Erro de Transdutores

• Calibração de Transdutores

• Resposta de Freqüência de Transdutores– Forçamento tipo rampa

– Forçamento periódico

• Materiais para Transdutores

• Transdutores Baseados em Fibras Óticas

• Princípios de Metrologia– Valor verdadeiro

– Erro, incerteza

– Exatidão

– Repetibilidade, Fidelidade, Reprodutibilidade

– Resolução

– Sensibilidade

– Desvio de zero, deriva de zero

• Bibliografia