Instrumentacao%20Modulo%20Medicao%20Forca%20e%20Torque

Prévia do material em texto

UNED SERRA 
 
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 
 
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL 
 
MÓDULO: MEDIÇÃO DE FORÇA E TORQUE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1ª EDIÇÃO 
Janeiro 2006 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 2
 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
 
 
LEI DE HOOKE................................................................................................................................ 3 
MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL OU MÓDULO DE YOUNG ....................... 3 
VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA................................................................................. 4 
CLASSIFICAÇÃO DAS MEDIDAS EXTENSOMÉTRICAS ........................................................ 5 
STRAIN GAGES............................................................................................................................... 5 
1) GAGES METÁLICOS (WIRE STRAIN GAGES) .............................................................. 5 
2) GAGES DE TRAMA PELICULAR (FOIL STRAIN GAGE) ............................................. 6 
BANDAS UNIAXIAIS ................................................................................................................. 7 
BANDAS BIAXIAIS (ROSETAS)............................................................................................... 7 
BANDAS PARA ESFORÇOS RADIAIS E TANGENCIAIS ..................................................... 8 
MÉTODOS DE MEDIDAS .............................................................................................................. 9 
1) Método Direto ........................................................................................................................... 9 
2) Método de Zero ......................................................................................................................... 9 
COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA ........................................................................................ 9 
MONTAGENS DE MEDIDAS COM PONTES EXTENSOMÉTRICAS..................................... 10 
1) Primeira Montagem................................................................................................................. 10 
2) Segunda Montagem................................................................................................................. 11 
3) Terceira Montagem ................................................................................................................. 11 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 3
 
LEI DE HOOKE: Em 1678, Robert Hooke estabeleceu a relação que existem tensões e 
deformações em corpos submetidos a solicitações mecânicas. Se o material for isótropo e 
homogêneo e seu limite elástico não for superado, então verifica-se que a relação entre a 
tensão e a deformação é linear. Baseado neste princípio, pode-se definir extensometria da 
seguinte forma: 
 
Extensometria é o método que tem por objetivo a medida das deformações 
superficiais dos corpos. 
 
O conceito de deformação é expresso mediante uma relação dimensional; 
 
 
 
O esforço de tensão que uma estrutura suporta se define em termos de força por unidade 
de área (N/mm2). 
 
MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL OU MÓDULO DE YOUNG: (E) Medida 
da rigidez que um material apresenta quando solicitado longitudinalmente. Quanto maior 
for o módulo E, menor será a deformação elástica resultante de uma aplicação de uma 
tensão e mais rígido será o material: 
 
Exemplo para o Aço Comum: 
 
 Módulo de Young: 2,05x105 N/mm2 
 Limite Elástico: 3,40 x105 N/mm2 
 Ruptura: 5,40 x105 N/mm2 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 4
 
Entretanto, as deformações não se produzem somente na direção da força aplicada, pois o 
aumento do comprimento resulta na diminuição (contração) da seção transversal, 
denominado efeito Poisson (0,3 para a maioria dos metais). 
 
 
VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA: A resistência elétrica de um determinado 
material é uma função de sua resistividade elétrica, do seu comprimento e seção 
transversal. 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 5
 
 
“Quanto uma barra metálica é esticada, ela sofre um alongamento em seu 
comprimento e também uma diminuição de seu volume, resultado da diminuição da 
área da seção transversal dessa barra e um conseqüente aumento de sua resistência 
elétrica. Da mesma maneira, quando a barra é comprimida, a resistência diminui 
devido ao aumento da área transversal e diminuição do comprimento” 
 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS MEDIDAS EXTENSOMÉTRICAS: a) Estáticas: Esforços que 
variam lentamente em função do tempo (estrutura de uma represa). b) Estáticas 
Dinânicas: Esforços sujeitos a variações rápidas e graduais (ponte). c) Dinâmicas: 
Componentes de variação rápida (vibração de um motor quando em balanceamento). 
 
 
STRAIN GAGES (Células extensométricas): Elementos cuja resistência elétrica variam 
em função de pequenas deformações longitudinais. Tratam-se de pequenas células 
extensométricas afixadas (coladas) na superfície do corpo de prova, formando um conjunto 
soliário. 
 
Existem dois tipos de strain gages: Gages Metálicos e Gages de Trama pelicular, conforme 
mostrados a seguir: 
 
1) GAGES METÁLICOS (WIRE STRAIN GAGES), cujo elemento sensível é um fio 
condutor metálico (liga de níquel com cobre e cromo), seção circular de diâmetro de 
0,0025 mm, colado sobre um suporte isolante de resina epóxi: 
 
 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 6
2) GAGES DE TRAMA PELICULAR (FOIL STRAIN GAGE), cujo elemento sensível é 
uma película de metal com poucos microns de espessura, recortada mediante 
ataque fotoquímico. O comprimento é bem ativo e bem determinado. 
 
 
O princípio de medição dos gages metálicos baseia-se em: valor da resistência elétrica em 
função das características geométricas. Todo aumento de comprimento corresponde em 
uma redução da seção transversal e a variação da resistividade é proporcional à variação 
relativa de volume. 
 
 
 
O K representa o Fator de Gage ou Coeficiente de Sensibilidade, cujo valor é fornecido 
pelo fabricante do material. 
 
A tabela a seguir mostra as características comuns de alguns strain gages comerciais: 
 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 7
 
BANDAS UNIAXIAIS: Servem para medir a força aplicada sobre o eixo longitudinal. 
 
 
BANDAS BIAXIAIS (ROSETAS): Servem para medir deformações de duas ou mais 
direções 
 
 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 8
 
BANDAS PARA ESFORÇOS RADIAIS E TANGENCIAIS: Servem para medir esforços 
tangenciais e radiais. 
 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 9
MÉTODOS DE MEDIDAS: As resistências dos extensômetros são colocadas em circuito 
do tipo Ponte de Wheatstone, que é um sistema formado por 4 resistências montadas duas 
a duas em série. 
 
1) Método Direto: Consiste em medir a diferença de potencial entre os bornes de saída 
da Ponte de Wheatstone, exigindo amplificação prévia do sinal. 
 
 
2) Método de Zero: Consiste em estabelecer o equilíbrio na ponte, é inserido um 
potenciômetro que toma uma parte da tensão de alimentação e coloca-a na saída da 
ponte. 
 
 
 
COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA: Para compensar a temperatura no strain gage, o 
strain gage R1 é instalado sobre a superfície do corpo a ser submetido à deformação 
enquanto que o strain gage R4 é instalado sobre a superfície de um corpo semelhante, não 
submetido à deformação mas sujeito às mesmas variações de temperatura. Qualquer 
variação de R1 causada pela temperatura será cancelada pela mesma variação ocorrida 
em R4. 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 10
 
 
MONTAGENS DE MEDIDAS COM PONTES EXTENSOMÉTRICAS: 
 
A seguir serão mostradas algumas montagens das diversas existentes usando o strain 
gages. 
 
1) Primeira Montagem: Esforço de Tração Simples (Circuito de ¼ de Ponte sem 
compensação de temperatura): 
 
 
CEFETES – UNED SERRA – Página: 11
 
2) Segunda Montagem: Dois gages ativos, em ramos adjacentes da ponte, um deles 
alinhado na direção da força aplicada e outro em direção perpendicular (Circuito de ½ 
Ponte com compensação de temperatura): 
 
 
3) Terceira Montagem: Quatro gages ativos,dois de ramos opostos para a direção da 
força aplicada e os dois restantes na direção perpendicular (Circuito de Ponte Completa 
com compensação de temperatura):