Pt Medicoes de Torque

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Série de conceitos básicos de medições com sensores

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Medições de torque, pressão e carga

Renan Azevedo

Engenheiro de Produto, DAQ & Teste

NI

Henrique Sanches

Marketing Técnico, LabVIEW

NI

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Pontos principais

• Fundamentos básicos das medições baseadas em ponte

• Fundamentos básicos do torque, pressão e carga

• Vantagens do TEDS (Datasheet de transdutores eletrônicos)

• Redução de erro de medição

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Componentes de medição

Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais

Computador

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O gage mede a resistência (ex: Ohms) que é convertida em deformação quando uma força é aplicada.

Fator de gage é a relação entre a variação da resistência e a variação da deformação. Um ΔR específico no gage é igual ao ΔL específico no material de base.

DBout VVV

+ aumento da resistência = aumento da saída

- diminuição da resistência = aumento da saída

Vi

n

Vout

RFRR

R

L

LR

R

FFactorGage

_

R

R

L

LStrain

Ponte de Wheatstone

(1)

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Computador

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RB+∆R

RB+∆R RB-∆R

RB-∆R

Pressão (força/área)

Deformação do elemento de detecção

Modificação nas propriedades elétricas

Modificação na saída

Exemplos...

Entenda os sensores de pressão

• A pressão é definida como uma força por unidade de área.

• Todos os sensores de pressão usam um dispositivo de soma de força para converter a pressão em um tensionamento ou deslocamento proporcional à pressão.

• A tensão mecânica ou deslocamento são aplicados em um elemento de transdução elétrica para gerar o sinal necessário.

Os exemplos abaixo geralmente são relacionados à pressão de piezoresistores de silício.

ni.com Visão geral

Piezoresistores

Entenda a pressão do tipo piezoresistores • Piezoresistência = modificação da resistência elétrica devido a uma tensão

mecânica.

• Os elementos de transdução que convertem o estresse da deflexão do diafragma em um sinal elétrico são piezoresistores.

• Conforme ilustrado, geralmente são usados 4 piezoresistores - conectados em um circuito de ponte Wheatstone - para oferecer uma saída que se altera principalmente com a pressão exercida por um fluído...

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Dois tipos básicos de sensores de pressão baseados em folha: • Diafragma • Sensor de força

Diafragma de gage Sensor de força gage com transmissor mecânico

Diafragma

Strain Gages

Fluido sob pressão

Fluido sob pressão

Duto

Diafragma

Strain Gages

Transmissor

mecânico

Elemento de gage

Porta de pressão

Entenda os sensores de pressão baseados em folha

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Absoluto • Pressão a ser medida comparada a

um vácuo absoluto.

Gage • Pressão a ser medida comparada à

pressão atmosférica no dia em que o sensor foi selado.

Gage real • Pressão a ser medida comparada à

pressão atmosférica atual.

Diferencial • Pressão a ser medida comparada à

outra pressão a ser medida.

Barométrico • Pressão atmosférica atual

comparada a um vácuo absoluto.

Absolute Vacuum

Today’s Atmospheric Pressure

Atmospheric Pressure on day gage was sealed

Ab

so

lute

Ga

ge

Tru

e G

ag

e

Dif

fere

nti

al

Pre

ssu

re

Inch

es

Wa

ter

Psi

of

Vac

uu

m

Baro

me

tric

Pressure

Tipos de sensores de pressão

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Entenda as células de carga

Medição de força direta através de células de carga. A estrutura (Spring Element) é o componente mais vital • Bending beam • Collum • Shear-Web

Tecnologia strain gage - uma das principais ferramentas das células de carga.

Classificação dos ciclos de trabalho das células de carga: • Resistência à fadiga • Uso geral

Shear Web

Capacidade: 2K – 1M N

Strain Gage

(Ponte de Wheatstone ou circuitos elétricos)

T

P

T

TT

C

C

C

C

Wheel-shaped spring element,adaptable to low profile trasducers.

Four active gages withpairs subjected to equaland oposite strains(beam in bending orshaft in torsion).

Low Capacity: 5 to 5,000 Lbs.

Multiple Bending Beam

Load Cells

Multi-column load cell for

increased capacity.

v

v

Four active gages in

uniaxial stress field two aligned with maximumprincipal strain, two"Poisson" gages (column).

High Capacity: 25 KLbs. to 2000 kLbs.

Multiple-Column Load Cells

C

C

CTT

T

P

Spring element in wheel form, with

radial webs subject to direct shear.

Four active gages withpairs subjected to equaland oposite strains(beam in bending orshaft in torsion).

Capacity: 500 to 200 kLbs.

Shear-Web Load Cells

C

C

C

CT

T

T

T

P

Baixa capacidade: 20 – 20K N Alta capacidade: 110K – 9M N

Bendingam beam Columm

Vin

Vout

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Três categorias principais de células de carga:

• Bending Beam

• Shear Beam

• Column

Tipos Células de Carga

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Entenda o torque

Um sensor de torque mede a torção ou diferença de rotação entre um eixo de rotação e a carga, como um virabrequim ou um pedal de bicicleta.

Torque - Força * Distância

Quatro principais projetos de sensores de torque:

• Oco cruciforme

• Eixo quadrado

• Raio Radial

• Tubular oco

T Radial Spoke

Tr

Raio Radial

Tubular oco

HollowCruciform

T

Tr

SolidSquareShaft

T

Tr

45°

Eixo quadrado

Oco cruciforme

T r T

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Tipos de sensores de torque

Sensores de torque de reação

Sensores de torque

rotatórios

Anéis coletores

STRAIN GAGEDAREA

MAGNETICSTRUCTURE

SIGNALTRANSFORMER

EXCITATIONTRANSFORMER

STATIONARY PRIMARYWINDING (TYP)

ROTATING SECONDARYWINDING (TYP)

Transformador rotatório

Telemetria

14

Digital Telemetry As a System

Increase ….

• Performance

• Flexibility

• Scope of application

Reduce ….

• Installation time

• Product weight and size

• Initial cost and the cost of

ownership

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Computador

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Tecnologia TEDS

Template padronizado IEEE.

Armazena informações específicas do sensor em uma memória EPROM onboard do sensor.

A instrumentação deve poder ler o chip TEDS.

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Vantagens do TEDS

Monitoramento do sensor • Períodos de calibração. • Associa dados a um sensor específico.

Reduz o tempo de configuração do sistema • Informações de calibração e escala são automaticamente

carregadas no software.

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Computador

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Medição de sensores baseado em ponte

• Excitação para alimentação de ponte

• ADC para medir sinais

• Detecção remota

• Calibração de Shunt

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Nível de excitação

Relação sinal/ruído (SNR) • Excitação mais alta gera uma melhor SNR.

Impacta no autoaquecimento do gage • Excitação mais alta leva ao autoaquecimento.

o Altera a capacidade adesiva de transferir deformação. o Altera a sensibilidade e resistividade do gage.

– Dependente da configuração de ponte

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Estabilidade da excitação

A relação de tensão é usada em todas as equações para calcular a deformação.

(Vcom deformação – Vsem deformação) / Vexcitação

Excitação instável gera erros na leitura.

Detecção remota.

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Medições de ponte ratiométrica

Vantagens • Alta precisão e baixa susceptibilidade • Requisitos de projeto reduzidos permitindo maior quantidade de canais.

Abordagem tradicional Abordagem ratiométrica

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Calibração com zeragem

• Remove offsets.

• Garante que ~0 V seja medido quando um gage não tem deformação.

• Compensa o desequilíbrio inerente à ponte.

• Pode ser feita em hardware ou software.

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Calibração de Shunt

+ VIN - + _

VEX

Calibração de shunt e zeragem

Sem calibração

ε

σ

Calibração com zeragem de offset Erro de offset

Calibração de shunt e zeragem de offset

Erro de ganho

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Teste de vazamento de componente

Desafio

Desenvolver um separador lama-gás que aumentasse a eficiência e a flexibilidade das perfurações sub-balanceadas.

Solução

Usar o LabVIEW da National Instruments para projetar um sistema IHM/SCADA compacto e econômico que possa antecipar o início da produção.

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Demonstração de medição de pressão

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Aquisição de Medição

Vantagens da plataforma

• Melhor sincronização

• Padrão amplamente adotado pela indústria


• Medições de transferência de forma de onda

• Rápida customização de software


• Medições determinísticas em um único ponto

• Temporização e trigger customizado

PXI

Módulos de entrada para ponte completa

PXIe-4330

PXIe-4331

PXIe-4339

CompactDAQ


NI 9219

NI 9237

CompactRIO


NI 9219

NI 9237

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Aquisição de Medição

Compatibilidade garantida

Inclui TEDS

Carga

Tipos de transdutores

• Low Profile

• S-Type

• Miniature

Pressão


• Precision

• Flush Diaphragm

• Subminiature

Torque


• Reaction

• Rotary

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