Prática 3 - Medição de força

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<p>Engenharia de Controle e Automação</p><p>Instrumentação</p><p>Roteiro para prática de laboratório</p><p>Informações</p><p>• Prática: Medição de Força</p><p>• Objetivo: Estudo do princípio de operação dos extensômetros de resistência elétrica.</p><p>• Elaboração: Prof. Dimitri Campos Viana / Prof. Felipe Oliveira e Silva</p><p>• Docente: Prof. Danilo Alves de Lima</p><p>• Aluno(s):</p><p>• Data:</p><p>Materiais Necessários</p><p>Fornecidos pelo professor:</p><p>• Módulo ST2304;</p><p>• Multímetro 34XR-A;</p><p>• Cabo USB;</p><p>• Massas padronizadas.</p><p>Hardware Utilizado</p><p>O módulo ST2304 destina-se ao treinamento em Extensômetros de Resistência</p><p>Elétrica e sua ênfase está no princípio de operação e nas características do transdutor</p><p>construído a partir de uma barra de metal flexível e quatro Strain Gauges fixados em</p><p>uma de suas extremidades [Sci11]. Este módulo, apresentado na Figura 1, pode ser</p><p>subdividido em 5 partes principais, sendo elas:</p><p>1. Bandeja e Barra de Metal com 4 Strain Gauges: uma das extremidades da barra de</p><p>metal está fixada em um suporte rígido, enquanto na outra se encontra a bandeja em</p><p>que devem ser depositados os objetos que, consequentemente, irão causar uma tensão</p><p>mecânica na barra por meio de suas respectivas massas e da ação da gravidade. Ao</p><p>se depositar os objetos na bandeja deve-se tentar centralizá-los o máximo possível,</p><p>mantendo-se uma distância padrão entre o ponto de aplicação da força e os 4 strain</p><p>gauges fixados na outra extremidade da barra. Dos 4 strain gauges, 2 são fixados na</p><p>superfície superior da barra e dois na inferior, como indicado na Figura 2(a). Pesos de</p><p>até 500 gramas podem ser colocados na bandeja.</p><p>Figura 1: Foto ilustrativa do módulo de treinamento ST2304.</p><p>2. Ponte de Wheatstone: os quatro strain gauges fixados à barra de metal estão</p><p>conectados e formam uma ponte de Wheatstone, similar a representada na Figura 2(b).</p><p>Uma fonte de 8 VCC e utilizada para alimentar a ponte e a tensão em sua saída pode ser</p><p>medida entre os terminais TP1 e TP2. Quando não existem objetos depositados na</p><p>bandeja, a deformação da barra de metal e nula e as resistências dos strain gauges são</p><p>iguais (350Ω). Nessa situação, a ponte está balanceada e a tensão elétrica em sua saída</p><p>é nula. Qualquer força aplicada à extremidade da barra de metal pode causar uma</p><p>deformação que por sua vez causa uma variação na resistência dos strain gauges,</p><p>desbalanceando a ponte e produzindo uma tensão de saída diferente de zero.</p><p>Figura 2: Célula de carga com: (a) barra com 4 strain gauges (b) ponte de Wheatstone.</p><p>3. Amplificador de instrumentação: e constituído por dois estágios: buffer e amplificador</p><p>diferencial. O primeiro e utilizado para aumentar a impedância de entrada deste módulo,</p><p>impedindo a drenagem de corrente da ponte de Wheatstone. O segundo amplifica a</p><p>tensão de saída desta última, rejeitando ruídos e permitindo o ajuste de zero do</p><p>instrumento, por meio do elemento “Offset Null Adjust”. Ou seja, se a bandeja estiver</p><p>vazia e o instrumento estiver indicando uma deformação na barra de metal, o</p><p>amplificador diferencial deverá ser ajustado para compensar a tensão residual de saída</p><p>da ponte, zerando a indicação do instrumento. Logo, caso o Fator de Gauge K do</p><p>instrumento venha a ser estimado por meio da tensão de saída da ponte, esse valor</p><p>deve ser medido após a passagem pelo amplificador diferencial, ou seja, a tensão deve</p><p>ser medida entre os terminais TP4 e TP3.</p><p>4. Amplificador de Baixo Ruído: a principal função deste módulo e escalonar o sinal de</p><p>saída do módulo anterior (amplificador de instrumentação), produzindo um sinal de</p><p>tensão que pode ser interpretado como a deformação na barra de metal. Por exemplo,</p><p>se uma tensão de 187 [mV] for medida entre os terminais TP5 e TP6, significa que uma</p><p>deformação � = 187 × 10</p><p>está ocorrendo na barra de metal.</p><p>5. Display: possui 31/2 dígitos e mostra o valor da tensão entre os terminais TP5 e TP6,</p><p>ou seja, a deformação da barra de metal em ��. Por exemplo, se o valor 187 estiver</p><p>sendo exibido, significa que uma deformação de � = 187 × 10</p><p>está ocorrendo.</p><p>As principais especificações deste kit Didático são as seguintes:</p><p>• Comprimento da barra de metal:</p><p>= 0,2[�];</p><p>• Largura da barra de metal: � = 0,025[�];</p><p>• Espessura da barra de metal: ℎ = 0,0016[�];</p><p>• Módulo de elasticidade da barra de metal: � = 200 × 10�[�/��];</p><p>• Tensão de alimentação da ponte de Wheatstone: ��� = 8[� ].</p><p>E as principais considerações para operá-lo são:</p><p>• Ajuste o seletor de tensão de acordo com a rede elétrica de alimentação (110/220[V]).</p><p>• O peso máximo suportado é 500[g].</p><p>• Não pressione a bandeja com as mãos, isso pode causar a ruptura da barra de metal.</p><p>• Após depositar objetos na bandeja, aguarde sua estabilização para fazer as medições.</p><p>• Sempre deposite os objetos no centro da bandeja, padronizando a distância entre o</p><p>ponto de aplicação da forca até o ponto de medição de deformação da barra (centro</p><p>geométrico dos strain gauges).</p><p>• O ajuste de zero do Amplificador de Instrumentação pode e deve ser alterado sempre</p><p>que for necessário zerar a indicação de deformação do display quando a bandeja</p><p>estiver vazia.</p><p>• O ajuste de ganho do Amplificador de Baixo Ruído NÃO deve ser alterado, pois vem</p><p>calibrado de fábrica e é bastante sensível.</p><p>• Caso ocorra flutuação do dígito menos significativo do display, pode-se considerar</p><p>a média dos valores indicados.</p><p>Experimentos</p><p>Experimento 1 (Determinação do Fator Gauge - Valor 20%). Com o objetivo de</p><p>determinar o Fator Gauge do instrumento, realize as medições necessárias para</p><p>preencher a tabela a seguir (o valor de tensão �� !" deve ser medido entre os</p><p>terminais TP3 e TP4 do módulo, com o auxílio do multímetro fornecido pelo professor).</p><p>Utilize a seguinte equação para encontrar o valor médio de K:</p><p>�� !" = #���� =</p><p>$%</p><p>&'()</p><p>*��� (1)</p><p>onde F é a força aplicada na bandeja [N].</p><p>Medida Massa [g] �� !" [��] � × 10</p><p>K</p><p>1 50</p><p>2 100</p><p>3 150</p><p>4 200</p><p>5 250</p><p>6 300</p><p>7 350</p><p>8 400</p><p>9 450</p><p>10 500</p><p>Experimento 2 (Determinação de Valores Teóricos para � e �� !"). Para uma suposta</p><p>tensão mecânica causada pela ação da gravidade sobre uma massa de 100[g], utilize</p><p>a equação (1) e o valor médio de K determinado no experimento anterior para calcular</p><p>os valores teóricos da (mostre seus cálculos):</p><p>1. (Valor 10%) Deformação da barra de metal (�).</p><p>2. (Valor 10%) Tensão de saída da ponte de Wheatstone após a passagem pelo</p><p>amplificador diferencial (�� !").</p><p>Experimento 3 (Aferição de Valores Teóricos para � - Valor 20%). Determine agora</p><p>os valores teóricos da deformação da barra de metal (�) para todos os casos</p><p>ensaiados no Experimento 1 (50 a 500 [g]). Ao invés de utilizar a equação (1), ligue o</p><p>computador mais próximo da sua bancada e conecte-o ao módulo ST2304 utilizando</p><p>o cabo USB fornecido pelo professor. Inicie o programa “ST2304 Strain Gauge PC</p><p>Interface”, localizado na área de trabalho do computador e clique em “Start”. Selecione</p><p>a porta USB adequada (se tiver dúvidas, vá em “Gerenciador de Dispositivos” dentro</p><p>da aba “Hardware” em “Propriedades do Sistema”) e clique em “Start” novamente.</p><p>Repita o procedimento adotado no Experimento 1, inserindo (no campo laranja do</p><p>programa) o valor de cada massa ensaiada e clicando em seguida em “Get”. Uma vez</p><p>completados os ensaios, clique em “Plot”. Com base no gráfico gerado, analise o</p><p>comportamento teórico e prático do módulo ST2304. Tire um “print screen” do gráfico</p><p>e o inclua em seu relatório.</p><p>Experimento 4 (Determinação da Massa de um Objeto - Valor 20%). Deposite um</p><p>objeto fornecido pelo professor na bandeja do módulo ST2304 e meça a tensão de</p><p>saída da ponte de Wheatstone após a passagem pelo amplificador diferencial (VT P</p><p>43). Calcule a deformação que a barra de metal sofrera (confira o resultado com o</p><p>valor apresentado</p><p>no display). Posteriormente, calcule a massa do objeto. Mostre</p><p>seus cálculos.</p><p>Experimento 5 (Determinação da Sensibilidade do Instrumento). Sabendo que a</p><p>sensibilidade é, basicamente, a relação entre a variação do sinal de saída e a variação</p><p>correspondente do sinal de entrada de um instrumento, proceda conforme solicitado:</p><p>1. (Valor 10%) Complete a tabela a seguir, realizando as medições necessárias e</p><p>anotando os valores de deformação exibidos no display.</p><p>2. (Valor 10%) Calcule o valor da sensibilidade do módulo ST2304.</p><p>Massa [g] Deformação [��]</p><p>100</p><p>200</p><p>Referências</p><p>[Ama07] Amatrol. Sistemas de Controle de Processos - Pacote de Atividades de</p><p>Aprendizado 5: Elementos Finais de Controle. Amatrol, 2007.</p><p>[Amp06] Amprobe. Users Manual: 34XR - A Professional Digital Multimeter.</p><p>Amprobe, 2006.</p><p>[Ma11] J. B. Magalhães. XC221 - Tanque - Teoria, Caderno de Experiências e</p><p>Manual. Excto Tecnologia, 2011.</p><p>[Mor10a] R. M. Moreira. XC201 - Sensores Industriais - Teoria, Caderno de</p><p>Experiências e Manual. Excto Tecnologia, 2010.</p><p>[Mor10b] R. M. Moreira. XC201 - Sensores Industriais - Teoria, Caderno de</p><p>Experiências e Manual. Excto Tecnologia, 2010.</p><p>[Sci11] ScienTech. LVDT Trainer ST2303 - Learning Material. ScienTech, 2011.</p><p>[Tek06] Tektronix. Manual do Usuário: Series TDS1000B e TDS2000B -</p><p>Osciloscópio de Armazenamento Digital. Tektronix, 2006.</p>