Trabalho Final Balança

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Balança eletrônica
DIOGO ANCHIETA , JOÃO VITOR MERLO, MARCIO COMELLI ,PAULO CESAR V. ZILIOTTO,
diogo.anchieta@gmail.com, joaovitormerlo47@gmail.com, marciocomelli@yahoo.com.br,
pcziliotto@gmail.com.
Disciplina de instrumentação e sistema de medição, prof. Leandro Chies
Resumo. O seguinte artigo, detalha as etapas de
construção do projeto de uma balança com uso de
extensômetros, a aplicação da Ponte de Wheatstone
e amplificador de instrumentação. É apresentado os
elementos utilizados e suas funções no projeto, além
de mostrar os resultados obtidos com a balança em
funcionamento.
Palavras-chave: Wheatstone, balança, circuito .
1. Introdução
Este projeto tem por objetivo realizar o
processo de leitura de pesos utilizando sensores
strain gauges, são sensores que alteram sua
resistência devido à deformação mecânica da
superfície onde estão instalados.
Para atingir as medições com alto grau de
confiança, utiliza-se uma ponte de Wheatstone, é um
circuito elétrico utilizado para obter medições de
resistências desconhecidas, para a finalidade da
balança, são utilizados extensômetros sendo todos
variáveis, desta forma tendo um erro de linearização
nulo, além de um amplificador operacional, tendo
por função amplificar o sinal, auxiliando na
linearização e filtragem do mesmo.
Como o valor lido na saída da ponte está na
escala de milivolts, necessita-se de um amplificador
operacional para amplificar o mesmo, assim pode-se
reconhecer esta medição na entrada do conversor
analógico-digital do microcontrolador e apresentá-lo
graficamente para o usuário.
Para este relatório foi necessário calcular, interpretar
os cálculos e problemas propostos, e finalmente
analisar os resultados obtidos.
2. Metodologia
Para o desenvolvimento do presente artigo, foi
utilizado o método de pesquisa bibliográfica
utilizando artigos e livros sobre o tema para a
validação dos cálculos e resultados.
2.1 Extensômetros
Strain gauge, ou popular extensômetro
piezoresistivo, são sensores capazes de medir
qualquer alteração na superfície, quando a mesma
sobre uma força de uma massa que é interpretada em
uma superfície como pressão. Muito utilizadas para
verificar deformações atuantes em equipamentos ou
máquinas.
Figura 1: Representação de um extensômetro
(strain gauge).
Fonte:
http://ensus.com.br/extensometria-strain-gauge-o-que-e-quando-ut
ilizar.
Considerando a Figura 1 podemos verificar que
existe um fio resistivo, o qual tem sua resistividade
modificada conforme a superfície o qual está fixado
tenha sido alterada. A variação dessa resistência
resulta em uma mudança do diferencial de potencial,
emitindo sinais elétricos, que são captados e
convertidos através de um circuito para serem
transformados em valores desejados.
2.2 A Ponte de Wheatstone
O circuito de Wheatstone é um esquema em
losango, que permite a aferição do valor da
resistência desconhecida. A ponte pode ou não estar
em equilíbrio, é considerada equilíbrio quando os
resistores estão ajustados de maneira que a corrente é
zero.
1
mailto:diogo.anchieta@gmail.com
mailto:joaovitormerlo47@gmail.com
mailto:marciocomelli@yahoo.com.br
Figura 2: Ponte de Wheatstone.
Fonte: Instituto Politécnico de Bragança.
2.3 Amplificador de Instrumentação
Os amplificadores de instrumentação são
normalmente utilizados em controle de processos
industriais para coletar pequenos sinais de baixa
intensidade, com uma alta impedância de entrada e
um ganho ajustável. Resumidamente é um circuito
eletrônico com In-amp com a finalidade de eliminar
a necessidade do casamento de impedância com a
resistência de entrada.
Para o seguinte projeto é utilizado o
amplificador INA333. Como apresentado no seu
datasheet, ele possui portas de alimentação (4 e 7),
portas de entrada (2 e 3), sendo a porta (6) a saída do
amplificador, e a (5) sua referência. As portas (1 e 8)
são utilizadas para definir o ganho de amplificação,
como demonstra a Figura 4:
Figura 4: Amplificador de Instrumentação
INA333..
Fonte:
https://components101.com/ics/ina333-instrumentati
on-amplifier-pinout-features-alternatives-application-
datasheet
Onde se pode ver onde serão ligadas as duas
entradas diferenciais, também pode ser visto o
resistor Resistor de ganho (Rg), o qual irá regular o
ganho do circuito, esse ganho é ditado pela equação
abaixo, disponíveis no datasheet do INA333:
 𝑅
𝐺
= 49.4𝑘Ω𝐺−1
𝐺 = 49. 4𝑘𝑅𝐺 + 1
3. Cálculo da flexão da barra
Podemos chegar na fórmula de cálculo da
flexão da barra da seguinte forma:
(1)𝑇𝑓 = 𝑀 × 𝑊 [𝑁𝑚]
Sendo a equação do momento máximo (M),
é obtido da seguinte maneira:
𝑀á𝑥 = 𝐴 − 𝐶 × 𝑐 [𝑁𝑚]
(2)
E a resistência de seção transversal tempos a
partir de:
(3)𝑊 = ℎ×𝐵
2
6
Substituindo as equações 3 e 4 na primeira
equação temos:
(4)𝑇
𝑓
= 𝐴−𝐶( )×𝑐×6
ℎ.×𝐵2 
 [ 𝑁𝑚 ]
Onde:
Tf=tensão de flexão
h=espessura barra (2mm)
B=largura da barra (53mm)
c=carga a ser lida (0,989)
(A-C)= comprimento da barra entre os pontos
(205 mm)
Utilizando a equação de cálculo da flexão
da barra com as medidas da mesma e usando
uma carga de 100g chegamos no seguinte
resultado de 224938,979[N/m], mostrado abaixo
:
(5)𝑇
𝑓
= 𝐴−𝐶( )×𝑐×6
ℎ.× 𝐵2
 [ 𝑁𝑚 ]
(6)𝑇
𝑓
= 0,205×0,989×6
0,002.× 0,0522
 [ 𝑁𝑚 ]
2
(7) 𝑇
𝑓
= 224938, 979 [ 𝑁𝑚 ] 
Após encontrar o valor da flexão da barra de
alumínio, conseguir alongamento da mesma
através da equação:
(8) ∆
𝑙
=
𝑇
𝑓 
×𝑙
𝐸 [η𝑚]
Sendo:
Tf= tensão de flexão.
E= elasticidade do material (aluminum).
l= comprimento da barra entre os pontos (A-C).
Achando assim:
(9) ∆
𝑙
= 224938,97 × 0,205
70×10 9
 [η𝑚]
(10) ∆
𝑙
= 658, 74 [η𝑚]
4. Circuito eletrônico e cálculo da ponte de
wheatstone
Com a finalidade de confecção da PCI, é
necessário projetar alguns dos componentes a serem
utilizados, assim prevenindo possíveis problemas de
saturação na leitura/ajuste do circuito. Com isso, são
utilizados dois Trimpots, o primeiro com a função de
variar a resistência da ponte, o que resulta em seu
zeramento e o segundo com a finalidade de alterar o
ganho do INA333, arquitetou-se os seus valores de
acordo com as características pretendidas.
Vale ressaltar que, mesmo sabendo que a
tensão de alimentação projetada para o INA333 e
para a ponte de Wheatstone são equivalentes, suas
entradas de tensão da fonte foram separadas, assim
faz-se a conexão em paralelo via cabo entre os canais
de alimentação. Essa atitude foi tomada para em um
primeiro momento alimentar a ponte de Wheatstone
e após a verificação do funcionamento fazer o
procedimento de alimentação do amplificador
operacional, ou seja, garante-se que o INA333 não
seja danificado
5. Resolução de Entrada e Saída
Resolução é o menor incremento do mensurando
que pode ser lido pelo sensor. Neste caso a de
entrada tem a relação de tensão por bits, com valores
de margem de 0 a 5V de tensão ADC e o número de
bits é 10, existente no ADC do arduino.
Podemos chegar nos valores das mesmas
através da equação abaixo:
(11)δ = 𝑀
2𝑛−1
Onde:
= Resoluçãoδ
M= faixa de medição
n= número de bits do ADC (neste caso = 10)
Através desta equação podemos chegar aos
seguintes valores:
(12)δ
𝑖𝑛
= 5𝑉
2𝑛−1
 [ 𝑚𝑉𝑏𝑖𝑡 ]
(13)δ = 5𝑉 
210−1
 [ 𝑚𝑉𝑏𝑖𝑡 ]
Resolução de entrada:
(14)δ = 4, 83 [ 𝑚𝑉𝑏𝑖𝑡 ] 
Resolução de saída:
(15)δ
𝑜𝑢𝑡
= 100𝑔
210−1
 [ 𝑚𝑔𝑏𝑖𝑡 ]
(16)δ = 97752 [ 𝑚𝑔𝑏𝑖𝑡 ]
6. Desenhando e testando o circuito:
Para o desenho e simulação do circuito utilizamos o
software Multisim onde é possível simular os
extensômetros, assim como realizar as aferições
necessárias para que o circuito seja montado de
forma correta, verificando as tensões e as correntes
que ocorrem no circuito.
Figura 5: Circuito completo da Balança
3
Fonte: Circuito Fornecido pelo professor e
completado pelos acadêmicos
No circuito temos duas partes, a parte a qual está o
extensômetros, onde podemos variar as resistências
dos resistores para conferência de cálculos, e a parte
da placa de circuito impresso contendo os
componentes eletrônicos para a amplificaçãodo sinal
proveniente dos extensômetros este sinal é
amplificado pelos AMP-OP neste circuito não estão
especificados mas utilizaremos o Modelo INA333 da
Analog Devices para conforme mostrado no item 2.3
figura 4. Também existe um diodo Zener para a
conferência da variação de tensão, o circuito
simulado irá demonstrar a variação na corrente de
acordo com a variação nas resistências dos
extensômetros.
Figura 6: Circuito completo da balança com as
variações nos resistores(extensômetros).
Fonte: Circuito Fornecido pelo professor e
completado pelos acadêmicos
A variação nos valores dos resistores
através da variação de R9 e R12 aumentando seus
valores e R10 e R11 diminuindo gera uma diferença
de 1mV na tensão mostrada na saída do circuito
após a amplificação pelo INA333.
7. Desenhando o circuito PCB :
A construção da placa de circuito impresso ou
PCB(Printed Circuit Board). Utilizamos o programa
Proteus
Figura 6: Perspectiva frontal
Fonte: Realizado pelos acadêmicos no Proteus
Design Suite
Figura 7: Trilhas
Fonte: Realizado pelos acadêmicos no Proteus
Design Suite
Figura 8: Visualização do circuito montado sob as
trilhas no PCB
Fonte: Realizado pelos acadêmicos no Proteus
Design Suite
Figura 9: Placa de circuito impressa
Fonte: Realizado pelos acadêmicos no Proteus
Design Suite
8. Conclusão
Conclui-se durante a concepção desse projeto
que a complexidade e a importância de uma boa
confecção de um equipamento o qual é comumente
usado no dia-a-dia de muitas pessoas em várias
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áreas, destacando a importância de ter um circuito
eficiente para obter e tratar os sinais medidos, sendo
que uma má calibração pode acabar acarretando em
diversos erros de medição implicando em prejuízo
para as partes que utilizam esse equipamento nos
diversos campos da indústria, comércios e afins.
9. Referências Bibliográficas
[1] Guilherme, José. Extensômetria (Strain
Gauge) - O que é? Quando utilizar?
Disponível em:
<http://ensus.com.br/extensometria-strain-gauge-o-q
ue-e-quando-utilizar/>. Acesso em 07/04/2021.
[2] Parâmetros característicos de um sistema de
medição.
Disponível em:
<http://www.portalaction.com.br/incerteza-de-medic
ao/parametros-caracteristicos-de-um-sistema-de-med
icao/> .Acesso em 07/04/2021.
[3] Low Cost, Low Power Instrumetation Amplifier
Dives.
Disponivel em:
<https://components101.com/ics/ina333-instrumentat
ion-amplifier-pinout-features-alternatives-application
-datasheet>
Acesso em 07/04/2021
[4] A. Balbinot and V. Brusamarello,
Instrumentação e fundamentos de medidas. Volume 1
(2a. ed.). Grupo Gen - LTC, 2000.
[5] MUNDO EDUCAÇÃO, Ponte de Wheatstone.
Disponível em:
<https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/ponte-
wheatstone.htm>. Acesso em: Abril 2021.
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