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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Componentes de medição
Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais
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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Componentes de medição
Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais
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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Componentes de medição
Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais
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
Vantagens da plataforma
• Medições de transferência de forma de onda
• Rápida customização de software
Vantagens da plataforma
• Medições determinísticas em um único ponto
• Temporização e trigger customizado
PXI
Módulos de entrada para ponte completa
PXIe-4330
PXIe-4331
PXIe-4339
CompactDAQ
Módulos de entrada para ponte completa
NI 9219
NI 9237
CompactRIO
Módulos de entrada para ponte completa
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
Tipos de transdutores
• Precision
• Flush Diaphragm
• Subminiature
Torque
Tipos de transdutores
• Reaction
• Rotary
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