Células de carga - Experimento

CÉLULA DE CARGA

Maurício Carer, Edver Carraro Universidade de Caxias do Sul - UCS

Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130 - CEP 95070-560 Caxias do Sul - RS [email protected] , [email protected]

Resumo. Com o avanço tecnológico em máquinas e equipamentos industriais, o mercado de trabalho nos submete a reduzir custo, tempo de manufatura e conseqüentemente prazo de entrega. Para isso faz-se necessário a implementação de sistemas de controle, onde possam medir a grandeza desejada, transformar esta determinada grandeza em linguagem de máquina, fazer um pós-processamento dos dados coletados, analisá-los, e posteriormente tomar uma decisão. Estes sistemas são utilizados em máquinas CN, CNC, robôs, linhas de montagem, e etc. O processo de medir uma determinada grandeza, e transformá-la em outra grandeza no qual a linguagem de máquina ou computador entenda é denominada sensor. De uma série de sensores comerciais, será abordado neste relatório o sensor extensométrico, utilizado em células de carga. Existem diversas aplicações para este tipo de dispositivo no qual, é analisada sua empregabilidade para determinar o tipo a escolher. Células de carga são constituídas de um ou mais sensores extensômetro de resistência elétrica (Strain Gage). Neste relatório experimental realizaram-se medições de massas com o auxílio de uma célula de carga do tipo duas vigas engastadas, no qual foram feitas medições a fim de demonstrar sua funcionalidade e seus componentes bem como fazer uma análise dos resultados. Palavras-chave: Célula de carga, Extensômetro de resistência elétrica, Strain Gage.

1. INTRODUÇÃO Neste experimento realizou-se a construção experimental de uma célula de carga do tipo duas vigas engastadas, que utiliza quatro sensores extensométricos, onde foram fabricados seus componentes de acionamento mecânicos e uma parte do seu circuito eletrônico. A fim de demonstrar sua aplicação prática, realizar medidas experimentais e extrair uma análise sobre as mesmas, o objetivo deste trabalho é proporcionar o aprendizado sobre o funcionamento deste sensor e sobre seus componentes. No ensaio realizado em laboratório efetuaram-se cinco séries de medições das massas na célula de carga, a fim de verificar a tensão de saída gerada pelos extensômetros. Com esta é possível converter em uma grandeza desejada como, por exemplo, peso (N), massa (Kg), pressão (Pa), e etc. A flexão, ou deformação sofrida pela célula é muito pequena, com isso é necessário amplificar o sinal que sai do extensômetro para ser medido. 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Célula de carga Célula de carga é um dispositivo eletromecânico que mede a deformação ou flexão de um corpo e a transforma em uma saída de tensão. O sinal em microvolts é alterado proporcionalmente à medida que

aplicamos uma carga em sua estrutura física. A célula é constituída de um ou mais extensômetros, e um circuito denominado ponte de Wheatstone. O tipo de aplicação da célula é o fator determinante para a escolha da quantidade de extensômetros e configuração do circuito da ponte. As figuras 1, 2 e 3 mostram exemplos de aplicações de células.

Figura 1 – Célula de compressão.

Figura 2 – Célula de torque.

Figura 3 – Célula de torque estático.

Neste relatório houve a construção de uma célula de carga em alumínio (Al) do tipo duas vigas engastadas, com quatro extensômetros e uma ponte inteira de Wheatstone, que tem a finalidade de medir força, peso, ou pressão, como mostram as figuras 4, 5 e 6.

Figura 4.

Figura 5.

Figura 6.

Figura 7 – Desenho técnico de construção da célula de carga.

Figura 8 – Esquema eletro-mecânico de funcionamento do desbalanceamento da

ponte.

Pode-se observar nas figuras 8 e 10, que esta célula é auto compensada, pois quando aplicada uma força os extensômetros 1 e 4 medem, e o 2 e 3 não se alteram. 2.2. Strain Gage O extensômetro de resistência elétrica (strain gage), é um resistor elétrico composto de uma grade metálica sobre uma camada isolante de substrato de polímero. Este é colado sobre uma estrutura de teste no qual é sensível a variação de sua resistência em função de uma carga aplicada, podendo-se então estudá-la, medindo e verificando o comportamento de sua estrutura. Estas estruturas por sua vez, apresentam deformações que podem ser monitoradas de diversas formas, dentre as quais: por relógio comparador, por detector eletrônico de deslocamento, por fotoelasticidade, por camada frágil e por strain gage, dentre outros. O strain gage é comumente utilizado pela sua versatilidade. Um sensor de força ou de pressão, por exemplo, nada mais é do que uma estrutura mecânica planejada a deformar-se dentro de certos limites. O extensômetro realiza a medição em duas direções. A direção principal é a melhor escolha a ser feita, pois possui a maior sensibilidade, ao contrário da direção secundária que é dada pelo coeficiente de poisson (υ), como pode ser observado na figura 9. Utilizaram-se quatro extensômetros de 350Ω nesta célula de carga.

Figura 9 – Strain Gage.

O fator K fornecido pelo fabricante é dado pela equação 1.

(1)

Onde: K = fator do extensômetro R = resistência inicial ∆R = variação resistência L = comprimento inicial ∆L = variação do comprimento 2.3. Ponte de Wheatstone O circuito da ponte de Wheatstone é utilizado para medir o desbalanceamento entre os extensômetros e resistores, causado pela deformação sofrida da estrutura. O desbalanceamento é medido pela variação de tensão e posteriormente transformado na grandeza desejada. Existem diversos tipos de configurações de ponte, nos quais podemos citar ¼, ½ e ponte inteira, em que a última obtém um melhor resultado, pois possui elevada sensibilidade. Neste experimento utilizou-se uma ponte inteira, como exemplifica a figura 10.

Figura 10 – Ponte inteira de Wheatstone utilizada na célula de carga.

A saída Eo da ponte inteira é dada por:

Onde:

ε = ∆l/l = deformação relativa = µm/m = microstrain K = fator do extensômetro R = 350Ω

Figura 11 – Exemplo de ¼ ponte Wheatstone.

Figura 12 – Exemplo de ½ ponte Wheatstone.

2.4. Amplificador para ponte inteira

O sinal de saída do extensômetro possui uma variação muito pequena. Com isso é necessário amplificá-lo, para posteriormente efetuar a medição. Utilizou-se um amplificador OP 07, do laboratório para efetuar as medições. O amplificador utilizado não é adequado, pois foi projetado para dois extensômetros de 120Ω com ½ de ponte de Wheatstone, e utilizado neste experimento que possui quatro extensômetros de 350Ω e ponte inteira. Devido a esta situação não ser adequada, pode-se perder sensibilidade na saída do amplificador. O esquema eletrônico do amplificador pode ser observado na figura 13, bem como a alimentação da ponte de Wheatstone na figura 14.

Figura 13 – Esquema eletrônico do amplificador OP 07.

Figura 14 – Esquema eletrônico da ligação da fonte + - 2,5V.

3. EXPERIMENTO O objetivo deste experimento é realizar a medição da variação da tensão em função da deformação sofrida pela célula de carga,

através dos pesos padrão, verificando assim suas características. 3.1. Material utilizado - 01 osciloscópio; - 01 amplificador OP 07 para meia ponte; - 02 fontes simétricas +-15Vcc; - 01 jogo de pesos padrão; - 01 célula de carga; - 01 multiteste; - 02 grampos “C”; - 01 chapa de aço. 3.2. Procedimento e montagem A célula de carga é fixada em uma chapa de aço para lhe garantir uma melhor fixação e estabilidade na realização das medições. A chapa, por sua vez, é fixada na bancada através de grampos “C”. Foi conectada a célula de carga no amplificador e utilizada duas fontes simétricas para alimentar o sistema. A saída do amplificador ligada ao osciloscópio realizando a calibração do mesmo, e efetuadas cinco séries de medições. Detalhamento da montagem experimental pode ser observado nas figuras 15, 16, 17, 18.

Figura 15 – Montagem experimental.



Figura 18 – Montagem experimental. 3.3. Resultados

Massa (Kg) Tensão (V)

Medida 1 2,00 0,046 3,50 0,080 4,00 0,095 5,50 0,125 6,50 0,150 8,00 0,190 9,00 0,200 10,00 0,230 11,50 0,260 12,00 0,270 14,00 0,320 15,00 0,350 17,00 0,370 18,50 0,400 21,00 0,440

Tabela 1 – Medida 1 x Massa.

Medida 1 x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)

Gráfico 1 – Medida 1 x Massa.

Massa (Kg) Tensão (V) Medida 2

2,00 0,046 3,50 0,080 4,00 0,090 5,50 0,130 6,50 0,150 8,00 0,185 9,00 0,210 10,00 0,230 11,50 0,265 12,00 0,275 14,00 0,330 15,00 0,350 17,00 0,400 18,50 0,420 21,00 0,440


Medida 2 x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)



Medida 3 2,00 0,046 3,50 0,080 4,00 0,095 5,50 0,125 6,50 0,150 8,00 0,185 9,00 0,210 10,00 0,230 11,50 0,270 12,00 0,275 14,00 0,320 15,00 0,350 17,00 0,400 18,50 0,440 21,00 0,480


Medida 3 x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)



Medida 4 2,00 0,046 3,50 0,082 4,00 0,095 5,50 0,125 6,50 0,150 8,00 0,185 9,00 0,210 10,00 0,230 11,50 0,270 12,00 0,275 14,00 0,320 15,00 0,350 17,00 0,390 18,50 0,440 21,00 0,480


Medida 4 x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)



Medida 5 2,00 0,048 3,50 0,082 4,00 0,095 5,50 0,130 6,50 0,150 8,00 0,187 9,00 0,210 10,00 0,230 11,50 0,270 12,00 0,280 14,00 0,330 15,00 0,350 17,00 0,390 18,50 0,440 21,00 0,480


Medida 5 x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)



Média x

2,00 0,046 3,50 0,081 4,00 0,094 5,50 0,127 6,50 0,150 8,00 0,186 9,00 0,208 10,00 0,230 11,50 0,267 12,00 0,275 14,00 0,324 15,00 0,350 17,00 0,390 18,50 0,428 21,00 0,464

Tabela 6 – Tensão média x Massa.

Tensão média x Massa

02468

10121416182022

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Tensão (V)

Mas

sa (K

g)

Gráfico 6 – Tensão média x Massa. Com os dados coletados foram gerados os gráficos e as tabelas. No gráfico 6 houve a realização de uma média das cinco medições, onde é observada uma relação de sua curva praticamente linear. Realizou-se a medição do ruído na saída do amplificador em torno de 30mV. Uma grande parcela deste ruído pode ser atribuída à inexistência de conexões com bornes adequados para realizar a ligação entre a célula de carga e o amplificador. 4. CONCLUSÃO Com este experimento torna-se possível observar a aplicação de sensores extensométricos em células de carga que possuem uma larga aplicação, e variam conforme a necessidade. Exibiram-se os componentes necessários para o funcionamento desta célula de carga. Houve a comprovação da variação proporcional de tensão em função da deformação da célula e, observado o comportamento praticamente linear de sua curva. Em função da adequada fixação da célula de carga na bancada de teste através da adição de uma chapa de aço parafusada na célula, obtiveram-se valores satisfatórios nas medições. Observa-se nos resultados uma pequena variação de tensão em função das massas

utilizadas, e pode-se concluir que neste experimento não é possível obter melhor precisão do que 1Kg. Tal limitação pode ser atribuída ao amplificador utilizado. É importante ressaltar neste experimento que o laboratório utilizado não possuía condições adequadas para realizar as medições, pois o amplificador para meia ponte, e extensômetros de 120Ω utilizado não era adequado aos extensômetros e ponte utilizados, podendo causar um desbalanceamento inadequado nos resistores, conseqüentemente desvio na saída de medição, ou mesmo perda de sensibilidade.

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