Extensometria - Transdutores

8/2/2019 Extensometria - Transdutores

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Extensometria Transdutores

Euler Barreto Jnior

Este mdulo aborda a construo de transdutores que utilizam extensmetros eltricoscomo elemento sensor. A construo de transdutores requer alguns cuidados para que oseu funcionamento seja estvel nas mais variada condies. Um desses cuidados ocorreto tratamento trmico a ser dado ao material que ser utilizado como elementoelstico. Outro cuidado a utilizao de tcnicas de correes efetuadas no circuitoeltrico dos extensmetros, para compensao de temperatura, mdulo, zero, ganho eimpedncia.

Para completar a inteno de passar a minha experincia a voc que l esta publicao,

estou a sua disposio para esclarecer qualquer dvida sobre o assunto aqui tratado,atravs do e-mail [email protected]


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Euler Barreto Jnior

INTRODUO

O transdutor que utiliza o extensmetro eltrico de resistncia como elemento sensor um instrumento que transforma uma grandeza fsica qualquer (esforo, peso,deslocamento, torque, acelerao, presso) em uma grandeza eltrica.

constitudo basicamente de:

Elemento elstico;

Extensmetros e circuitos compensadores;

Invlucro externo.

O elemento elstico a pea que ir sofrer a deformao devido ao esforo aplicado. Osextensmetros que so colados no elemento elstico apresentam uma variao relativade resistncia eltrica proporcional deformao ocorrida. O invlucro externo funcionacomo uma proteo aos extensmetros e as ligaes, contra poeira, umidade e danosmecnicos.

TIPOS DE TRANSDUTORES

Os principais transdutores construdos com extensmetros so:

Transdutor de carga (clula de carga);

Transdutor de presso;

Transdutor de deslocamento;

Transdutor de inclinao;

Transdutor de acelerao (acelermetros).


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FIGURA 1 - TIPOS DE ELEMENTOS ELSTICOS PARATRANSDUTORES


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MODELOS DE ELEMENTOS ELSTICOS PARA TRANSDUTORES DE CARGAE PRESSO:

Neste mdulo iremos tratar apenas dos transdutores mais utilizados comercialmente queso os transdutores de carga e de presso.

Transdutores de carga:

Basicamente podemos dividir os elementos elsticos dos transdutores de carga, em trsclasses, de acordo com o tipo de tenso de solicitao a ser medida pelos extensmetroseltricos:

Flexo; Cisalhamento e Deformao direta.

FLEXO:

O elemento elstico flexo muito utilizado na fabricao de clulas de carga de baixacapacidade, pois apresenta elevada deformao mesmo com pequenas cargas. Outravantagem a de as deformaes de trao e compresso ocorridas nos extensmetros seremda mesma grandeza, o que possibilita melhor linearidade na sada do transdutor.

A figura 2 apresenta alguns tipos de elementos elsticos flexo mais utilizados em clulasde carga, bem como a localizao dos extensmetros e o tipo de deformao atuante emcada extensmetro, trao (T) ou compresso (C), para a direo da carga indicada.

FIGURA 2 - TIPOS DE ELEMENTOS ELSTICOS FLEXO


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CISALHAMENTO:

Este tipo de elemento elstico utilizado quando se deseja construir clulas de carga de alta

capacidade, mas com tamanho reduzido. Apresenta a vantagem de no sofrer influncia decarregamentos excntricos e possuir um alto sinal de sada com baixa deformao.

Assim como o elemento flexo, as deformaes de trao e compresso so da mesmagrandeza o que torna o sinal de sada linear.

Na maioria dos casos, os extensmetros so colados a 45 em furos dispostosconvenientemente no elemento elstico.

FIGURA 3 - ELEMENTOS ELSTICOS SOLICITADOS AO CISALHAMENTO


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DEFORMAO DIRETA:

O elemento elstico solicitado deformao direta utilizado na fabricao de clulas decarga de alta capacidade. Este tipo de clula chamado de clula de coluna, pois o

elemento elstico similar a uma coluna cilndrica, retangular ou quadrada.

De concepo simples, porm apresenta o inconveniente de ser sensvel a cargasexcntricas, e as deformaes de trao e compresso que ocorrem nos extensmetros sodiferentes, o que acarreta uma no linearidade na sada do transdutor.

FIGURA 4 - TIPOS DE ELEMENTOS SOLICITADOS DEFORMAO DIRETA


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SELEO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUO DETRANSDUTORES BASE DE STRAIN GAGE

GUIA DE SELEO DO MATERIAL PARA ELEMENTO ELSTICO:

Para confeco dos elementos elsticos os materiais mais utilizados so:

Ligas de Alto Mdulo de Elasticidade:

Os aos para beneficiamento:ABNT 4140 (cdigo da Villares VL-40).

ABNT 4340 (cdigo da Villares VM-40).ABNT 8640 (cdigo da Villares VB-40).

Estes materiais so utilizados na confeco de elementos elsticos de clulas de cargas dealta capacidade.

Os aos inoxidveis:ABNT NBR 5601 Tipo 410 (cdigo Villares VC-140)ABNT NBR 5601 Tipo 420 (cdigo Villares VC-150)ASTM A 564-81 Tipo 630 (cdigo Villares V-630)

Denominao comercial americana : 17-4 PH

ASTM A 564-81 Tipo 631 (cdigo Villares V-631)Denominao comercial americana: 17-7 PH

Estes materiais so utilizados quando se deseja maior proteo contra oxidao.

Ligas de Baixo Mdulo de Elasticidade:

As ligas de alumnio:

AA (USA) 2017 (T4) -ASTM CM 41A; SAE 26AA (USA) 2024 (T8) -ASTM CG 42A; SAE 24AA (USA) 7075 (T6) -ASTM CG 62A; SAE 215

Estes materiais so utilizados na confeco de elementos elsticos de clulas de cargas debaixa capacidade.


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MATERIAIS UTILIZADOS COMO ELEMENTO ELSTICO DETRANSDUTORES

MATERIAL MDULO DE COEFICIENTE DE CLASSIFICAOELASTICIDADE EXPANSO TRMICA

kgf/mm ppm/C

LIGAS DE ALTO MDULO

AOS PARA BENEFICIAMENTO

4140 21.000 11,6 Muito bom

4340 21.000 11,3 Excelente*

8640 21.000 11,3 Excelente*

AOS INOXIDVEIS

410 20.300 9,9 Bom

420 20.300 9,9 Muito bom

630 19.950 10,8 Excelente *

631 20.300 10,3 Muito bom

LIGAS DE BAIXO MDULO

LIGAS DE ALUMNIO

2017(T4) 7.300 23,0 Muito bom

2024(T8) 7.300 23,2 Excelente *

7075(T6) 7.300 23,2 Muito bom

* Estes so os materiais mais utilizados na confeco de elemento elstico.


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TCNICAS PARATMPERA E REVENIMENTODO ELEMENTO ELSTICO.

As melhores caractersticas do elemento elstico so obtidas quando este temperado erevenido.

Normalmente os materiais de alto mdulo de elasticidade so fornecidos no estadonormalizado, isto sem tratamento trmico, para que possa ser usinado com facilidade,realizando-se o tratamento trmico posteriormente, na fase final de produo da pea.

A tmpera um tratamento trmico que consiste no aquecimento da pea a temperaturaspr - estabelecidas seguido de um resfriamento em leo, gua ou ar.

Esse tratamento tem por fim, aumentar grandemente a dureza e seus limites de resistncia eescoamento, porm diminui a resilincia, o alongamento e a ductibilidade.

J o revenimento um tratamento trmico que consiste no aquecimento da pea jtemperada, a temperaturas pr-estabelecidas, restituindo ao material parte das propriedadesperdidas pela tmpera melhorando sensivelmente a resistncia aos choques mecnicos.

A tmpera e o revenimento devero obedecer s tcnicas indicadas pelo fabricante domaterial, conforme descrito a seguir:

Ligas de alto mdulo de elasticidade:

Aos para beneficiamento:

ABNT 4140 (VL-40)Caractersticas: Ao de mdia temperabilidade. Boas propriedades mecnicas.

Tmpera: 840C a 860C

Meio de Tmpera : leo

Revenimento: 400C a 420C .

Obs: com a temperatura de revenimento entre 400C a 420C, iremos obter uma durezaem torno de 40 a 41 Rc, o que corresponde a um limite de resistncia deaproximadamente 120 kgf/mm.


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ABNT NBR 5601 TIPO 420 (VC- 150)Caractersticas: Ao-cromo inoxidvel martenstico, ferro magntico. Normalmente fornecido no estado recozido com dureza de 220 HB aproximadamente.

Tmpera: Aquecer lentamente at 980 - 1040 C; manter cerca de meia hora emtemperatura e resfriar em leo.

Revenimento: recomendado revenir imediatamente aps a tmpera, para evitar aocorrncia de trincas trmicas. A temperatura ideal de revenimento de 300C. Comesta temperatura iremos obter uma dureza de 175 kgf/mm. A faixa de temperaturaentre 420C e 600C deve ser evitada pelo mesmo motivo do ao tipo 410.

ASTM A 564-81 Tipo 63017 (V-630) - 17-4PH.Caractersticas: Ao martenstico - endurecivel por precipitao. Normalmente fornecido no estado solubilizado (recozido) com dureza mxima em torno de 38 Rc.

Tratamento trmico: O tratamento trmico do Ao V-630 compreende duas etapas: orecozimento para solubilizao e o envelhecimento (endurecimento por precipitao).

Recozimento para solubilizao: Aquecer a 1040C 15C, manter em temperatura atcompleta homogeneizao e resfriar ao ar ou em leo at 25C.

Envelhecimento (endurecimento por precipitao) : Aquecer a temperatura de 480C8C, manter em temperatura durante 1 hora e resfriar ao ar. Com este procedimento

iremos obter uma dureza em torno de 40 Rc o que nos d um limite de resistncia trao de aproximadamente 135kgf/mm.

Este o ao mais utilizado para confeco de transdutores.

ASTM A 564-81 Tipo 631 (V-631) - 17-7PH.Caractersticas: Ao inoxidvel semi-austenitico - endurecivel por precipitao.Fornecido no estado solubilizado com uma dureza mxima de 229 HB.

Tratamento trmico: O tratamento trmico do Ao V-631 compreende trs etapas:

recozimento para solubilizao, condicionamento da austenita e envelhecimento.Recozimento para solubilizao: Aquecer a 1040C 15C, resfriar em gua.


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Condicionamento da austenita: Aquecer a 760C 15C, manter em temperaturadurante 90 minutos, resfriar at 15C 3C dentro do intervalo de 1 hora; manter nessatemperatura durante no mnimo 30 minutos e resfriar ao ar.

Envelhecimento: Aquecer a 565C 5C, manter em temperatura durante 90 minutos eresfriar ao ar at temperatura ambiente.

Com estes procedimentos iremos obter uma dureza em torno de 38Rc o que nos d umlimite de resistncia trao de aproximadamente 120 kgf/mm.

Obs: O tratamento trmico dos elementos elsticos dever ser executado de prefernciaem firmas especializadas existentes no mercado.

Ligas de Baixo Mdulo de Elasticidade:

As ligas de baixo mdulo de elasticidade so fornecidas j com o tratamento trmicoadequado, pois a dureza alcanada pelo material no impede que a pea seja usinada comfacilidade.

LIGA DE DURALUMNIO AA 2017

No caso da liga de duralumnio AA 2017, o tratamento trmico recomendado o T4(solubilizao- temperatura 500C / precipitao- temperatura ambiente, tempo deenvelhecimento 5 dias ) . Com este tratamento a dureza ser em torno de 110 HB e o limitede resistncia trao ser de 38 kgf/mm.


Para a liga de duralumnio AA 2024, o tratamento trmico recomendado o T8(solubilizao, encruamento e envelhecimento artificial). Com este tratamento a dureza serem torno de 120 HB e o limite de resistncia trao ser de 45 kgf/mm.


J para a liga de duralumnio AA 7075, o tratamento trmico recomendado o T6(solubilizao e envelhecimento artificial). Com este tratamento a dureza do material serem torno de 140HB e o limite de resistncia trao ser de 55 kgf/mm.


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Existem no mercado extensmetros com dimenses de 0,3mm a 30,0 mm.

Geometria da grade:

A grade do extensmetro deve ser posicionada de tal modo que a direo da deformaoprincipal coincida com a direo da grade.

A figura 8 apresenta algumas geometrias de grades de extensmetros eltricos deresistncia.

FIGURA7 - GRFICO DE DISTRIBIO DE TENSO


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FIGURA8 - GEOMETRIADA GRADE DOS EXTENSMETROS


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O ELEMENTO ELSTICO

DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS ELSTICOS

Ao dimensionar um elemento elstico alguns fatores devem ser considerados:

Capacidade nominal: (refere-se a capacidade mxima de trabalho)O fator de segurana a ser adotado dever ser prximo de quatro. Ento a tenso detrabalho do elemento elstico dever ser a tenso de ruptura do material utilizado naconfeco do elemento elstico dividido por quatro .

Construo em uma s pea:O elemento elstico dever ser confeccionado em uma s pea para evitar problemasde histerese e no linearidade.

Proteo para sobrecarga:O maior problema que ocorre nos transdutores a sobrecarga. Por isso o transdutordever ser projetado para suportar sobrecargas de at 150% da capacidade nominal.

De fcil usinagem e instalao dos extensmetros:Para reduzir custos o projeto do elemento elstico dever levar em considerao afacilidade de usinagem e de instalao dos extensmetros , o que torna mais gil aproduo.

Freqncia natural:Quando o transdutor utilizado em sistemas de medies dinmicas necessrio que afreqncia natural do elemento elstico seja bem maior do que a freqncia a ser

medida.

Distribuio uniforme de deformaes nos extensmetros:Os extensmetros dos transdutores que podem ser em nmero de 4, 8,12, ou 16, soassociados em circuito de ponte (Wheatstone) completa e interessante que soframdeformaes idnticas , embora de sentido contrrio, para se obter uma sada linear.

Insensvel a cargas excntricas:O transdutor ideal o que sensvel a foras que atuem somente em um sentido nomedindo carregamentos excntricos.

Insensvel a variaes trmicas:O transdutor no dever sofrer influencias devido variao de temperatura..


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O clculo do elemento elstico de um transdutor baseia-se em regras conhecidas deresistncia dos materiais para os casos simples de trao, compresso, toro e flexo.

A seguir apresentamos as frmulas utilizadas para clculos de alguns tipos de elementos

elsticos:

FIGURA 09 - LMINA EM TRAO.

FIGURA 10 - CASCA CILNDRICA.


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FIGURA 11 - LMINA EM FLEXO

FIGURA 12 - ANEL DINAMOMTRICO.


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FIGURA 13 - DIAFRAGMA SOBRE PRESSO

FIGURA 14 - TORO EM ELEMENTO CIRCULAR.


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EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DO ELEMENTO ELSTICODE UMA CLULA DE CARGA DE DEFORMAO DIRETA.

Neste exemplo demonstraremos um modo fcil de dimensionar um elemento elstico deao (ABNT 8640-VB 40) para uma clula de carga com capacidade nominal de 20.000 kgfe sensibilidade de 2mV/V para a capacidade nominal. Na prtica, ao dimensionarmos oelemento aumentamos a sensibilidade em 10% ou seja para 2,2mV/V , e no circuitoeltrico final ajustamos a sensibilidade para 2mV/V com resistores de preciso.

A sensibilidade de 2,2 mV/V, corresponde a uma deformao de 4.400 (0,004400 )

Como o elemento elstico uma coluna quadrada, iremos utilizar 4 extensmetros sendo 2longitudinais e 2 transversais.

Os extensmetros longitudinais mediro as deformaes longitudinais = l

Os extensmetros transversais mediro as deformaes transversais = lA deformao total ser:

t = 2l + 2l

t = 2l ( 1 + )

FIGURA 15 - ELEMENTO ELSTICO DE UMA CLULA DE CARGA DEDEFORMAO DIRETA.


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Como estabelecemos que a sada do transdutor ser de 2,2 mV/V que corresponde a

0,004400 , e o Coeficiente de Poisson () para o ao 0,3, teremos:

0,004400 = 2 l ( 1 + 0,3 )

l = 0,004400 / 2,6 = 0,001692

Para essa deformao a tenso atuante no ao ser:

lSendo o o mdulo de elasticidade do ao igual a 21.000 kgf/mm teremos:

21.000 . 0,001692 = 35,53 kgf/mm

Sabemos que :

F / A

Sendo a fora a ser aplicada na clula de 20.000 kgf e a tenso igual a 35,53 kgf/mmteremos:

A= 20.000 / 35,53 = 562,90 mm

A rea do elemento elstico dever ser de 562,90 mm, para obtermos uma sada de2,2mV/V quando a clula for solicitada 20.000 kgf.

Como a seo do elemento quadrada , teremos ento um quadrado de 23,72mm de lado.

O ao ABNT 8640 (VB 40) temperado e revenido com uma dureza de 42 Rc , alcanaraum limite de resistncia de 140 kgf/mm e o limite elstico de aproximadamente120 kgf/mm. No nosso exemplo, o elemento elstico ir trabalhar com 35,53 kgf/mmquando for solicitado para 20.000 kgf, o que corresponde a um coeficiente de seguranaprximo a quatro.

As clulas de cargas devem suportar uma sobre carga de no mnimo 100% da capacidadenominal, que nosso exemplo seria uma carga de at 40.000 kgf.


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Se aplicarmos 40.000 kgf na rea de 562,90mm, teremos uma tenso de 71,06 kgf/mmque corresponde a um coeficiente de segurana de 1,98 aproximadamente e estaremossolicitando o elemento dentro do seu limite elstico.

Caractersticas tcnicas ideais de clulas de cargas.

Classe de preciso 0,5% do fundo de escala

Efeito da temperatura no zero 0,009% / C do fundo de escala

Erro do ajuste de zero sem carga 5% do fundo de escala

Efeito da temperatura com carga 0,018% / C da carga

No linearidade 0,25 % do fundo de escala

Histerese 0,1 % do fundo de escala

No repetibilidade 0,1% do fundo de escala

Sobrecarga admissvel 50% da capacidade nominalSobrecarga mxima 100% da capacidade nominal



Erro do ajuste de zero sem carga 2,5% do fundo de escala

Efeito da temperatura com carga 0,009% / C da carga




Sobrecarga admissvel 50% da capacidade nominal

Sobrecarga mxima 100% da capacidade nominal



Erro do ajuste de zero sem carga 1% do fundo de escalaEfeito da temperatura com carga 0,0015% / C da carga




Sobrecarga admissvel 50% da capacidade nominal

Sobrecarga mxima 100% da capacidade nominal


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Os extensmetros E1 e E3 iro medir as deformaes longitudinais.Os extensmetros E2 e E4 iro medir as deformaes transversais.A resistncia de Cobre, Constantan e Balco entram no circuito para compensaremvariaes de temperatura, mdulo, sensibilidade e zero, conforme ser descrito no captulo"D - Montando o transdutor".

EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE UM ELEMENTO ELSTICOTIPO DIAFRAGMA PARA TRANSDUTOR DE PRESSO.

Demonstraremos aqui um modo fcil de dimensionar um elemento elstico do tipodiafragma para um transdutor de presso com capacidade nominal de 200 kgf/cm esensibilidade de 2 mV/V para a capacidade nominal.

Como foi descrito no exemplo anterior, ao dimensionarmos o elemento elsticoaumentamos a sensibilidade em 10% ou seja para 2,2 mV/V e no circuito eltrico finalajustamos a sensibilidade para 2 mV/V com resistores de preciso.

Como o elemento elstico circular iremos ter dois tipos de deformaes: radiais etangenciais.

A figura 18 apresenta a distribuio das deformaes em um elemento tipo diafragma.

As deformaes radiais ocorrem prximas ao engastamento do diafragma e so degrandeza inversa s deformaes tangenciais que ocorrem prximas ao cento do diafragma.

FIGURA 18 DISTRIBUIO DAS DEFORMAES EM UMELEMENTO TIPO DIAFRGMA.


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So utilizados 4 extensmetros sendo 2 radiais e 2 tangenciais. Os extensmetros podemser do tipo axial nico ou do tipo diafragma como mostrado na figura 19.

Os extensmetros E1 e E3 mediro as deformaes tangenciais e E2 e E4 as deformaesradiais.Para mxima preciso e mnima histerese, o diafragma dever ser do tipo engastado enunca apoiado, e as laterais onde o diafragma ser engastado devero ser espessas osuficiente para no deformarem quando o diafragma for solicitado conforme mostrado na

figura 20.

FIGURA 19 - POSICIONAMENTO DOS EXTENSMETROS EM UM DIAFRAGMA .

FIGURA 20 - EXEMPLO DE ELEMENTO ELSTICO PARATRANSDUTOR DE PRESSO TIPO DIAFRAGMA.


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FRMULAS

Para clculo da espessura do diafragma:

Onde:

Para calcular o centro de deflexo :

Onde:


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OBS:

O centro de deflexo do diafragma no dever ser maior que a espessura do diafragma. Parauma linearidade da ordem de 0,3% o centro de deflexo estar limitado em 1/4 da espessurado diafragma ou seja:

Considerando o elemento elstico da figura 21 confeccionado em ao ABNT 8640VB40 temperado e revenido com uma dureza de 42 Rc, a espessura do diafragma para umtransdutor de capacidade nominal de 200 kgf/cm e sensibilidade de 2,2mV/V ser:

FIGURA 21 - ELEMENTO ELSTICO TIPO DIAFRAGMA.


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Aplicando a frmula teremos:

O centro de deflexo do diafragma ser


O esquema de ligao dos extensmetros ser:

Os extensmetros E1 e E3 iro medir as deformaes tangenciais.

FIGURA 22 ESQUEMA DE LIGAO


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Os extensmetros E2 e E4 iro medir as deformaes radiais.As resistncias de Cobre, Constantan e Balco entram no circuito para compensaremvariaes de temperatura, mdulo, sensibilidade e zero, conforme ser descrito no captulo"D - Montando o transdutor".

Caractersticas tcnicas ideais de transdutores de presso.

Classe de preciso 0,5% do fundo de escalaEfeito da temperatura no zero 1,8% / 100C do fundo de escalaErro do ajuste de zero sem carga 8% do fundo de escalaEfeito da temperatura com carga 1,8% / 100C da pressoNo linearidade 0,5 % do fundo de escalaHisterese 0,75 % do fundo de escala

No repetibilidade 0,15% do fundo de escalaSobrecarga admissvel 50% da capacidade nominalSobrecarga mxima 100% da capacidade nominal

Classe de preciso 0,25% do fundo de escalaEfeito da temperatura no zero 0,9% / 100C do fundo de escalaErro do ajuste de zero sem carga 2,5% do fundo de escalaEfeito da temperatura com carga 1,35% / 100C da pressoNo linearidade 0,25 % do fundo de escala

Histerese 0,25 % do fundo de escalaNo repetibilidade 0,1% do fundo de escalaSobrecarga admissvel 50% da capacidade nominalSobrecarga mxima 100% da capacidade nominal

Classe de preciso 0,15% do fundo de escalaEfeito da temperatura no zero 0,45% / 100C do fundo de escalaErro do ajuste de zero sem carga 1% do fundo de escalaEfeito da temperatura com carga 0,9% / 100C da pressoNo linearidade 0,1% do fundo de escala

Histerese 0,1 % do fundo de escalaNo repetibilidade 0,05% do fundo de escalaSobrecarga admissvel 50% da capacidade nominalSobrecarga mxima 100% da capacidade nominal


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MONTANDO O TRANSDUTOR

LIGAO DOS EXTENSMETROS

Os transdutores normalmente utilizam 4 extensmetros ligados em circuito de ponte deWheatstone conforme mostrado na figura 23

Os extensmetros E1 e E3 esto sendo solicitados trao e os extensmetros E2 e E4 compresso.

Dependendo do projeto o transdutor poder ter 8, 16 ou mais extensmetros associados eligados em ponte de Wheatstone, como o caso da clula de carga de coluna octogonal,onde so colados 8 extensmetros sendo 4 longitudinais e 4 transversais.

Figura 23 - Ligao dos extensmetros em ponte deWheatstone.


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Os extensmetros longitudinais E1, E3, E5, E7, so solicitados s deformaes decompresso e os extensmetros transversais E2, E4, E6, E8, so solicitados s deformaes

de trao (Coeficiente de Poisson - "").

No exemplo da figura 23, os extensmetros sofrero deformaes de mesma grandeza, queir produzir um sinal de sada linear.

J no exemplo da figura 24, os extensmetros sofrero deformaes de grandezasdiferentes que produziro um pequeno valor de no linearidade no sinal de sada, da

ordem de [ ( 1 - ) / 10 ] % por 1000 .

Figura 24 - Esquema de ligao dos extensmetros em elementoelstico octogonal utilizado em clula de carga de compresso.


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REFINAMENTO DO CIRCUITO

A montagem dos extensmetros em circuito de ponte de Wheatstone possibilita umaumento na sensibilidade, uma melhor linearidade e estabilidade. Mesmo assim, para seobter um transdutor altamente estvel necessrio efetuar algumas correes no circuito

eltrico.

A seguir so descritas as tcnicas de compensaes usadas que so:

1. Ajuste do desvio do zero com a temperatura sem carga.2. Ajuste de zero sem carga.3. Ajuste de mdulo ( variao da temperatura com carga).4. Ajuste de sensibilidade.5. Ajuste de impedncia.

1. Ajuste do desvio do zero com a temperatura sem carga.O transdutor sem solicitao (sem carga), no deve variar a leitura inicial (zero), mesmoque haja variao da temperatura.

Para corrigir qualquer desvio de zero com a temperatura, ajusta-se o circuito inserindo umresistor ( Ro) confeccionada com fio ou lmina de Cobre ou Balco.

A tcnica consiste no seguinte: Conectar os extensmetros em circuito de ponte conformemostrado na figura 25.

Figura 25 - Ligao dos extensmetros em circuitode ponte completa.


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Colocar o transdutor em uma estufa e estando a temperatura estabilizada (prxima aambiente), faa as medies nos pontos A, B, C, D.

Aps a leitura, eleve a temperatura da estufa e aps estabilizao da nova temperatura,(deixar no mnimo 12 horas em cada temperatura para perfeita estabilizao), faa asmedies nos pontos A, B, C, D. Repetir o ciclo at estabilizao nas variaes das leituras.

A frmula para o clculo da resistncia de correo a seguinte:

Onde:

A resistncia Ro poder ser confeccionada pelo usurio. ou poder ser utilizado asresistncias ajustveis comercializadas pelos fabricantes de produtos para extensometria.

O resistor Ro inserido em um dos braos da ponte.

A figura 26 apresenta tipos de resistncias ajustveis utilizadas para as compensaes.


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2. Ajuste de zero sem carga.

O transdutor dever ter um sinal de sada igual a zero quando no est sendo solicitado.

Para que isto acontea, necessrio fazer um ajuste inserindo no circuito uma resistncia(R) confeccionada com fio de Constantan ou Manganina.


Figura 26 - Resistncias ajustveis.

Figura 27 - Circuito com a resistncia para ajustar o desvio de zerocom a variao da temperatura.


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Onde:

A resistncia (R) poder ser confeccionada pelo usurio. ou poder ser utilizado asresistncias ajustveis conforme exemplo anterior.

O resistor (R) inserido em um dos braos da ponte conforme a figura 28

Figura 28 - Circuito com as resistncias para ajuste de desvio de zero coma variao da temperatura e de ajuste de zero.


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3. Ajuste de mdulo (variao da temperatura com carga).

Os fatores que contribuem para a variao da sensibilidade do transdutor quando h uma

variao de temperatura so: a variao do mdulo do elemento elstico e a variao dofator do extensmetro.

Para a correo dessas variaes, inserimos uma resistncia (Rm) confeccionada com fio deNquel, Balco ou Cobre.


Onde:

Rm= Resistncia de ajuste de mdulo.Variao do mdulo do elemento elstico em funo da variao datemperatura.

Para o ao liga : CPara o duralumnio: C

KVariao do fator do extensmetro em funo da variao datemperatura

Para extensmetro de Constantan : CPara extensmetro Kalloy ( 06 ) : CPara extensmetro Kalloy (13 ) : C

m = Variao da resistividade do fio condutor utilizado na confeco daresistncia em funo da variao da temperatura.

Para condutor de Nquel : CPara condutor de Balco : + 0,43% / CPara condutor de Cobre : + 0,40% / C

Rp = Resistncia da ponte ( 120Ohms


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A resistncia de ajuste de mdulo Rm , que poder ser confeccionada pelo usurio ouutilizado as resistncias ajustveis, inserida no circuito de alimentao da ponte,conforme pode ser visto na figura 29.

4. Ajuste de sensibilidade.Um transdutor deve ser ajustado para que a sua sada seja padronizada, por exemplo: umaclula de carga de 100 kgf, dever ter uma sada de 2 mV/V (4.000 micro - strain) quandosolicitado para a sua carga mxima (100 kgf). Este ajuste feito inserindo-se umaresistncia (Rs) confeccionada com fio de Manganina ou Constantan .


Figura 29 - Circuito com as resistncias para ajuste de desvio de zero coma variao da temperatura, de ajuste de zero e de mdulo.


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Onde:

Rs = Resistncia de ajuste de sensibilidade.Rp = Resistncia da ponte medida nos pontos B e D lido = Leitura obtida quando o transdutor for solicitado para a sua cargamxima subtrada da leitura do transdutor sem carga, em micro - strain.desejado = Leitura desejada para quando o transdutor for solicitado para asua carga mxima.

SENSIBILIDADE SAIDA1,00 mV/V 2.000 micro - strain2,00 mV/V 4.000 micro - strain3,00 mV/V 6.000 micro - strain

A resistncia de ajuste de sensibilidade que poder ser confeccionada pelo usurio ouutilizada as resistncias ajustveis, inserida no circuito de alimentao da ponte conformepode ser visto na figura 30.

Figura 30 - Circuito com as resistncias para ajuste de desvio de zerocom a variao da temperatura, de ajuste de zero, de mdulo e de

sensibilidade.


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5. Ajuste de impedncia.O ajuste de impedncia feito em transdutores para que eles possam ser utilizados emassociaes paralelas ou em srie. O ajuste feito com um resistor (Ri ) de preciso e afrmula para o clculo da resistncia a seguinte:

Onde:

Ri = Resistncia de ajuste de impedncia.Rp = Resistncia da ponte medida nos pontos B e D.Rdesejado = Resistncia desejada.

Figura 31 - Circuito com as resistncias para ajuste de desvio de zero coma variao da temperatura, de ajuste de zero, de mdulo, de sensibilidade

e de impedncia.


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PROJETO CONSTRUTIVO DE UM TRANSDUTOR DE PRESSOCOM ELEMENTO ELSTICO TIPO DIAFRAGMA COM

CAPACIDADE PARA 100,00 kgf/cm.

ELEMENTO ELSTICO

Material: Ao ABNT - NBR - 5601 - Tipo 420 - Cdigo Villares VC-150(ao inox).Tratamento trmico: Temperado e revenido - Dureza aproximada 42Rc.Capacidade do transdutor: 100,00 kgf/cmSensibilidade: 2,00 mV/V (para clculo utilizar 2,20 mV/V).Tipo de elemento: Diafragma engastado.Dimetro til do diafragma: 17,3 mm.

Dimensionamento do elemento:

FRMULAS:

Para calcular a espessura do diafragma:

Os valores so


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Para calcular o centro de deflexo :

Os valores so

Aplicando a frmula teremos


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N NOME QTE MATERIAL1 BASE 01 AO INOXIDVEL SRIE 300

2 ELEMENTO ELSTICO 01 AO INOXIDVEL ABNT NBR 4203 CAPA INTERNA 01 AO INOXIDVEL SRIE 3004 CAPA EXTERNA 01 AO INOXIDVEL SRIE 3005 TAMPA 01 AO INOXIDVEL SRIE 300

Figura 32 - TRANSDUTOR DE PRESSO - 100,00 kgf/cmELEMENTO ELSTICO TIPO DIAFRAGMA.


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Figura 33 - PEA 1 - BASE


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Figura 34 - PEA 2 - ELEMENTO ELSTICO


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Figura 35 - PEA 3 - CAPA INTERNA


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Figura 36 - PEA 4 - CAPA EXTERNA


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Figura 37 - PEA 5 - TAMPA


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Obs:

1. Nas faces A e B do elemento elstico, deixar 0,2mm de sobre - metal.

2. A pea 2 dever ser soldada a pea 1 aps o tratamento trmico.

3. Aps a soldagem, retirar o sobre - metal da pea 2 (faces A e B) bem como oexcesso de solda.

4. Para execuo da soldagem das partes metlicas, utilizar solda TIG com proteode Argnio, para no danificar os extensmetros com os resduos corrosivosproduzidos pela solda eltrica e pela solda xi - acetileno.

5. No aquecer muito a pea durante a soldagem para no danificar osextensmetros e a fiao eltrica.

6. Utilizar para as ligaes dos extensmetros fio de cobre estanhados com coberturade Teflon.

7. Utilizar o extensmetro tipo diafragma de fabricao da EXCEL ENG. DESENSORES LTDA. modelo PA-06-683CA-350.

Figura 38 - PARTE DO CATLOGO DA EXCEL ENGENHARIA


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Figura 39 - TRANSDUTOR DE PRESSO COM CAPACIDADE PARA100,00 kgf/cm

Figura 40 - DIMENSO EXTERNA DO TRANSDUTOR DEPRESSO COM CAPACIDADE PARA 100,00 kgf/cm


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Extensometria - Transdutores

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