METROLOGIA. Bancada metrológica com câmera de alta velocidade

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1 METROLOGIA Bancada metrológica com câmera de alta velocidade Confira os resultados experimentais qualitativos referentes à utilização de uma câmera de alta velocidade na análise visual de um fenômeno de descarga elétrica se desenvolvendo de forma extremamente rápida em um eletrólito (solução eletrolítica) que se encontra confinado em um espaço muito pequeno entre uma ferramenta e peça Alexandre de Souza Uma câmera de alta velocidade (HSFC- high speed framing camera) é um equipamento utilizado para visualização de fenômenos que ocorrem extremamente rápidos através da obtenção de fotos de elevadíssima resolução. Este moderno equipamento com complexos circuitos eletrônicos, baseando-se em tecnologia de sensores CMOS ou CCD [1], pode ser ajustado para obter fotos a certa taxa por segundo (fps fotos por segundo), onde cada foto permanece em uma exposição de intensidade de luz por um determinado intervalo de tempo extremamente curto (por exemplo, em nanosegundos). Alguns tipos especiais de câmera de alta velocidade podem até mesmo ser ajustadas para obter até 500 milhões de fotografias por segundo de um determinado fenômeno em questão, sendo que para este fim a câmera deve ser trigada corretamente com um sinal elétrico em conjunto com outros equipamentos eletrônicos conectados com ela. Algumas mais recentes tecnologias em eletrônica já possibilitam atualmente que sejam obtidas até alguns bilhões de fps, onde se necessita também de um correto sistema de iluminação para o fenômeno em análise. Importantes e típicas áreas de aplicação das câmeras de alta velocidade encontram-se dentro do campo automobilístico, medicina, técnicas de soldagem e, ainda, na análise de máquinas/equipamentos e materiais de todos os tipos [2-3]. As imagens obtidas com câmera de alta velocidade permitem realizar assim conclusões técnicas bem específicas e detalhadas do fenômeno em estudo [8]. Conheça os resultados experimentais qualitativos referentes à utilização de uma câmera de alta velocidade na análise visual de um fenômeno de descarga elétrica se desenvolvendo de forma extremamente rápida em um eletrólito (solução eletrolítica) que se encontra confinado em um espaço muito pequeno entre uma ferramenta e peça. Esta câmera de alta velocidade encontra-se ainda montada mecanicamente e eletronicamente com outros equipamentos em forma de uma bancada experimental. Todos estes modernos equipamentos envolvidos nestas análises experimentais são descritos detalhadamente neste artigo. Os resultados experimentais obtidos com a câmera de alta velocidade permitem obter relevantes conclusões científicas relacionadas a este tipo de fenômeno que ocorre em uma série de etapas e de maneira seqüencial. A seqüência de várias fotografias de alta resolução obtidas com a câmera HSFC através de programações especiais de parâmetros deste equipamento permitiram distinguir claramente estas etapas. A figura 1 mostra em detalhes a bancada experimental com a câmera HFSC. Além da câmera, esta bancada consiste fundamentalmente de um gerador de

2 pulsos de voltagem elétrica, sistema mecânico para fixação da ferramenta (eletrodo-ferramenta) e peça, bem como, de um osciloscópio da firma Gould para análises específicas de sinais. Motor de passo controlado eletronicamente por software Einzelpulsquelle Gerador Haidenhain Wegmesssystem Divisor de tensão Osciloscópio Sistema Haidenhain para controle da medida do gap entre os eletrodos Spannungsteiler - + Oszilloskop Fonte de luz Lichtquelle z Medidor de corrente Stromzange Eixo Z Ferramenta Werkzeugachse Werkzeug Sistema de posi-cionamento da ferramenta Peça Werkzeugträger Werkstückscheibe Câmera (HSFC) Kamera (HSFC) Sistema de posicionamento da peça Werkstückträger Software para análise de sinais (VAMOS) VAMOS Figura 1: Bancada experimental metrológica com câmera HFSC para análises qualitativas de fenômeno de descarga elétrica produzida em eletrólito Para a realização dos experimentos com a câmera de alta de velocidade (equipamento do instituto IWS Fraunhofer Dresden, Alemanha), a ferramenta de cobre em formato de uma pequena barra cilíndrica e com diâmetro total de 1 mm (que se encontra fixada dentro um apropriado sistema mecânico no eixo Z) é posicionada manualmente até seu leve contato com a superfície da peça de aço inoxidável. Neste ponto de contato é zerado também o dispositivo Haidenhain (sistema mecânico para medição de distâncias lineares de elevada precisão) que está acoplado junto ao eixo Z. Em seguida, a ferramenta é posicionada automaticamente até uma pequena distância sobre a superfície da peça, formando assim um gap entre eles com dimensões na faixa de micrometros (µ m). Este movimento de deslocamento linear da ferramenta é realizado por um motor elétrico especial acoplado diretamente ao eixo Z e acionado por um sistema comando numérico. A dimensão final do gap ajustada primeiramente no sistema de comando numérico do motor do eixo Z é também verificada através do equipamento Haidenhain, garantindo assim uma alta confiabilidade de ajustagem das condições experimentais. Em um procedimento posterior este pequeno gap é ainda preenchido completamente com eletrólito de composição e condutividade elétrica conhecidos. O gerador mostrado na figura 1 trata-se de um importante equipamento eletrônico que tem a função de gerar um pulso de tensão elétrica DC com

3 determinada intensidade dentro de um específico espaço de tempo ( tempo de pulso, definido também aqui como t p ) entre a ferramenta e peça (eletrodos). Assim, após as devidas ajustagens do gap, aplica-se um pulso de tensão entre os eletrodos de modo a poder gerar uma descarga elétrica em eletrólito a ser filmada com a câmera HSFC. O gerador é constituído de um moderno circuito eletrônico com características especiais e foi desenvolvido exclusivamente para a realização destes experimentos. De forma resumida, a tabela 1 mostra os parâmetros do gap, isto é, as condições experimentais relacionadas à dimensão do gap e ao eletrólito para possibilitar a geração de uma descarga elétrica entre a ferramenta e peça após a aplicação de um pulso de tensão elétrica ajustado em 100 volts entre eles e que ocorre em um espaço de tempo de 200 µ sec. Na aplicação do pulso de tensão elétrica a ferramenta permanece com a polaridade elétrica negativa e a peça, naturalmente, com a positiva. Parâmetros do gap Ajustagem Eletrólito NaCl (cloreto de sódio) Condutividade elétrica do eletrólito 100 ms/cm t p 200 µ sec Voltagem aplicada entre eletrodos gap 100 volts 50 µ m Tabela 1: Ajustagem dos parâmetros do gap para possibilitar a geração de uma descarga em eletrólito No acionamento automático do gerador para a obtenção de uma descarga em eletrólito (o gerador está conectado à peca e ferramenta por meios de cabos coaxiais), isto é, na aplicação de pulso de tensão elétrica entre os eletrodos que estão espaçados de uma distância de 50 µ m, são trigados também automaticamente e praticamente ao mesmo tempo a câmera de alta velocidade, a fonte de luz (dispositivo emissor de luz stroboscópica) e o osciloscópio. Neste caso especial estes equipamentos encontram-se devidamente interconectados uns com os outros de forma eletrônica por meio de cabos elétricos [9]. O sinal de tensão e corrente elétrica produzido juntamente com o surgimento da descarga elétrica pode ser visualizado de forma clara na tela do osciloscópio (a forma deste sinal é mostrada no próximo capítulo deste trabalho). A obtenção deste sinal foi possível pela montagem elétrica de um aparelho divisor de tensão e de um dispositivo medidor de corrente elétrica dentro do circuito eletrônico ferramenta, peça e gerador, os quais foram conectados eletronicamente ao osciloscópio. A correta condição metrológica de calibração e aferição destes equipamentos de medição garantiu a alta confiabilidade técnica do sinal obtido de tensão e corrente elétrica. Antes de ser produzida uma descarga elétrica em eletrólito através do acionamento do gerador é necessário primeiramente fazer algumas préajustagens especiais da câmera HSFC, de forma a obter então várias fotos em seqüência deste fenômeno. Nesta situação ajusta-se em primeiro lugar o foco do feixe de luz da câmera dentro do espaço entre a ferramenta e peça. Obtémse assim uma imagem óptica extremamente nítida das condições experimentais dentro do gap.

4 Nesta etapa pode ser detectada facilmente, por exemplo, uma eventual presença de micropartículas indesejadas entre os eletrodos que podem ocasionar um incorreto resultado experimental. As elevadas condições de nitidez do gap foram também garantidas através de um polimento muito fino da superfície da peça para evitar ao máximo reflexões não-corretas de luz do feixe da câmera HFSC sobre superfície metálica com rugosidade elevada dentro do gap preenchido com eletrólito. O eletrólito que se encontra entre a peça e ferramenta pode ser visto aqui com uma substância óptica com um índice de refração característico em função da sua condutividade elétrica de 50 ms/cm ajustada para a realização dos experimentos. Neste caso, este índice de refração exerce uma influência dominante no procedimento de focalização do feixe de luz da câmera dentro do gap. Além deste procedimento de focalização, foi ajustada uma série de importantes parâmetros da câmera de alta velocidade (tabela 2) em dependência direta das diferentes sequências experimentais que foram planejadas. Fundamentalmente, foram feitas cinco seqüências experimentais com cinco repetições. Estas seqüências experimentais se diferenciam umas das outras em função da regulagem de cada um dos quatros canais da câmera HFSC. Por exemplo, no caso da seqüência 2, a câmera obtém fotos no canal 1 a uma taxa de fotos/sec (com tempo de exposição de 100 n/sec) dos fenômenos que estão ocorrendo dentro do gap após 4 µ sec do acionamento do gerador de pulso. No canal 2, a câmera obtém fotos do gap nesta mesma taxa e tempo de exposição 8 µ sec após o acionamento do gerador, e assim por diante. Assim, após a realização de todas estas seqüências experimentais mostradas na tabela 2 com as fotos obtidas e armazenadas no hardware da câmera HFSC, foi montado posteriormente de forma seqüencial um conjunto de várias fotografias de altíssima resolução que descrevem de forma qualitativa todas as principais fases evolutivas do fenômeno de uma descarga elétrica produzida em eletrólito. Os resultados destes experimentos e suas respectivas conclusões tecnológicas são apresentados então no capítulo seguinte deste trabalho. Parâmetros da câmera HSFC Taxa de obtenção de fotos Ajustagem fotos/s Tempo de exposição 100 nsec Seqüência de fotos obtidas da descarga elétrica com a câmera HSFC Seqüências Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 4 Seqüência 1 (5 repetições) 2 µ sec 6 µ sec 10 µ sec 14 µ sec Cada canal de câmera de alta velocidade pode ser ajustado independentemente para obter fotos em uma taxa de fotos/s com um tempo de exposição de 100 nsec Seqüência 2 (5 repetições) Seqüência 3 (5 repetições) Seqüência 4 (5 repetições) 4 µ sec 8 µ sec 14 µ sec 16 µ sec 6 µ sec 10 µ sec 14 µ sec 18 µ sec 8 µ sec 12 µ sec 16 µ sec 18 µ sec Tabela 2: Ajustagem dos principais parâmetros da câmera de alta velocidade para realização dos experimentos A figura 2 mostra os resultados obtidos referentes à realização dos experimentos descritos no capítulo anterior. Resumidamente, através de várias

5 fotos obtidas com a câmera de alta velocidade pode ser identificado que uma descarga elétrica em eletrólito ocorre em duas etapas principais, isto é, a etapa eletroquímica que se desenvolve em um intervalo de tempo t E, e a etapa térmica, ocorrendo em um tempo total t D. A soma entre os tempos t E e t D resulta então no tempo total do pulso de tensão elétrica fornecido pelo gerador e ajustado previamente em 200 µ sec. t 0 t a t b t c t d Ferramenta Eletrólito Peça current [A] voltage [volt] t 0 t a t b t c t d u C u D i D tempo [µ sec] Z i E Y X t E t D tempo [µ sec] Figura 2: Fotos obtidas das fases de desenvolvimento de uma descarga elétrica em eletrólito Durante a primeira etapa da descarga elétrica ocorre uma série de reações químicas de oxidação e redução dentro do gap que acarretam em uma evolução muita rápida de gás hidrogênio (H 2 ) (equação 1) junto à superfície da ferramenta. A quantidade de gás hidrogênio que está se formando é proporcional à intensidade de corrente eletroquímica (i E ) fluindo no eletrólito

6 (uma mistura de água deionizada com condutividade 0,5 ms/cm e NaCl), em dependência da tensão elétrica aplicada u E entre os eletrodos e da distância entre eles. Na aplicação da tensão elétrica entre os eletrodos, íons H + presentes no eletrólito migram rapidamente para a superfície da ferramenta, recebendo lá elétrons, onde se transformam em gás hidrogênio. O volume de gás hidrogênio se expande e após o intervalo de tempo tc atinge a superfície da peça. Neste momento, diz-se que o gap, o qual possuía anteriormente uma condutividade elétrica de 100 ms/cm, tornou-se agora um meio não-condutor elétrico, isto é, surgiu assim uma substância dielétrica [4] entre os eletrodos, certamente aqui com as propriedades características de gás hidrogênio, apresentando uma determinada resistência elétrica que impede a continuação de fluxo de corrente elétrica entre os eletrodos. Além disso, durante o processo evolutivo de gás hidrogênio até seu contato com a superfície da peça uma pequena quantidade de material da peça é removida eletroquicamente em forma de íons metálicos, os quais reagem com outros íons do eletrólito, formando, por exemplo, produtos de reação química que se precipitam finamente sobre a superfície da peça. Estes de produtos precipitados entre os eletrodos durante a fase eletroquímica da descarga elétrica não possui uma grande resistência elétrica de forma a impedir o fluxo de corrente i E. Uma eventual diminuição deste fluxo de corrente elétrica provocaria imediatamente a redução da taxa de formação do gás hidrogênio na superfície da peça e, assim, um controle sobre o tempo total t E. Certamente, paralelamente ao desenvolvimento destes fenômenos eletroquímicos entre os eletrodos ocorre um fluxo de calor gerado no eletrólito fluindo continuamente para regiões mais afastadas do gap (dentro do eletrólito), como também para a ferramenta e peça através de diferentes mecanismos de transmissão de calor. Este calor gerado é o resultado direto do forte atrito dos íons do eletrólito Na +, Cl -, H + e OH - entre si durante seus rápidos movimentos para a direção dos eletrodos polarizados eletricamente. Devido às suas mobilidades eletroquímicas em eletrólito, os íons H + und Cl - chegam mais rapidamente à superfície da ferramenta e peça respectivamente. Desta forma, o íon Cl - forma uma pequena quantidade de gás Cl 2 dentro do gap junto à superfície da peça por um processo de oxidação (este íon perde elétrons na superfície da peça) que contribui em certa forma para o processo de isolamento elétrico entre os eletrodos. Através das fotos obtidas com a câmera de alta velocidade pode ser concluído neste caso que existe uma total predominância da formação de gás hidrogênio dentro do gap sem uma evolução significativa de gás cloro. Analisando as fotos obtidas com a câmera, conforme mencionado anteriormente, verifica-se que ocorre apenas uma evolução de gás junto à superfície da ferramenta que é explicada pelo processo de redução química de vários íons H + (equação 2). Tanto o acúmulo de íons H + na superfície da ferramenta como também de íons Cl - junto à peça provocam assim a formação de pequenos capacitores elétricos caracterizados por uma determinada impedância elétrica [10]. (1) 2H 2 O + 2NaCl H 2 (g) + Cl 2 (g) + 2Na + + 2OH -

7 (2) 2H + + 2e - H 2 (g) Logo após o contato do volume de gases com a superfície da peça inicia-se muito rapidamente a formação de uma descarga elétrica entre ferramenta e peça, a qual é também definida tecnicamente como um canal de plasma com dimensões extremamente pequenas. A formação da descarga elétrica é o resultado direto da ionização completa do gás H 2 contido entre os eletrodos, de forma que possa fluir agora entre eles uma corrente elétrica i D em um determinado espaço de tempo t D. Este processo de ionização é o resultado da elevada tensão elétrica u C aplicada entre a ferramenta e peça que provoca a ruptura total da capacidade dielétrica [11] do gás hidrogênio. Devido à elevada intensidade da tensão u C vários elétrons são emitidos da superfície da ferramenta e acelerados à altas velocidades na direção da superfície da peça. Durante este movimento os elétrons chocam-se contra as moléculas neutras do gás hidrogênio, arrancando assim vários elétrons e formando conseqüentemente muitos íons H + [7]. Estes íons positivos são atraídos rapidamente para a superfície da ferramenta devido as suas cargas elétricas positivas. A elevada quantidade de íons positivos e elétrons como conseqüência da ionização do gás hidrogênio significa assim que se formou um canal de plasma (descarga elétrica) de elevado conteúdo térmico entre os eletrodos. A completa formação da descarga elétrica entre os eletrodos é acompanhada de uma forte quantidade de energia luminosa (ver figura 2 obtida com a câmera HSFC) como resultado da liberação de ondas eletromagnéticas com comprimento de onda no espectro de luz visível como conseqüência do processo de ionização do gás hidrogênio. O processo de formação da descarga elétrica significa também uma queda brusca da tensão elétrica aplicada entre os eletrodos de u C para u D, isto é, neste caso é atingido um valor de 35 volts. Esta intensidade de tensão relativamente baixa pode ser medida precisamente pelo osciloscópio montado junto ao equipamento experimental através uma análise do sinal de voltagem e corrente elétrica da descarga elétrica desenvolvida entre os eletrodos. A corrente i D mencionada anteriormente pode atingir valores acima de 100 A, porém, devido às características eletrônicas peculiares do gerador de pulso este valor é limitado nestes experimentos em um máximo de 20 A. Esta intensidade de corrente elétrica é armazenada em capacitores do gerador de pulso durante o período de tempo relacionado aos fenômenos eletroquímicos que ocorrem entre os eletrodos, sendo descarregada muito rapidamente no gap após o processo de ionização do gás hidrogênio. Na região em torno da descarga elétrica forma-se um campo magnético cuja intensidade é proporcional a esta corrente elétrica fluindo entre os eletrodos. Além disso, a partir do momento da ionização do gás hidrogênio até o final do período de tempo t D ocorre uma expansão do volume da descarga elétrica [5] (que pode ser vista também como um volume de gás superaquecido com vários íons e elétrons). Uma quantidade de eletrólito que se encontra em volta da descarga elétrica atua contra o movimento de expansão de seu volume. Quando maior a viscosidade do eletrólito menor é a expansão volumétrica da descarga elétrica, onde é aumentado assim consideravelmente seu conteúdo

8 energético. Uma pequena quantidade do volume do eletrólito em contato com a superfície externa da descarga evapora-se muito rapidamente (dependendo da capacidade térmica do eletrólito [6]) devido às elevadíssimas temperaturas dentro do gap, sendo que uma parte do calor é transmitida ainda por um processo de convecção térmica para outras regiões do eletrólito. A potência P da descarga elétrica que gera estas altas temperaturas pode ser determinada com precisão pela equação 3, dada em função das principais variáveis descarga elétrica que foram mencionadas anteriormente. (3) P = u. i. t As temperaturas durante o desenvolvimento da descarga elétrica atingem valores em torno de C, provocando assim uma fusão localizada nas regiões superficiais da ferramenta e peça. A intensidade desta fusão de material depende principalmente do ponto de fusão e condutividade térmica do material da ferramenta e peça. Após o completo desligamento da fonte de tensão aplicada entre os eletrodos ocorre uma implosão do volume da descarga elétrica que provoca uma expulsão do volume de material fundido da superfície dos eletrodos, onde surge desta maneira na ferramenta e peça uma cratera de descarga com dimensões micrométricas e formas geométricas especiais (figura 3). Esta pequena cratera que pode ser visualizada corretamente com emprego de determinadas técnicas de microscopia pode ser caracterizada por um diâmetro e profundidade. É esperada também junto às regiões superficiais da cratera da peça uma pequena quantidade de material da ferramenta transferido na condição fundida durante o rápido processo de desenvolvimento da descarga elétrica. No caso de uma alteração do tempo total t D ou da corrente i D da descarga elétrica há profundas alterações do diâmetro e da profundidade da cratera de descarga. Mesmo sendo expelida uma grande quantidade do material fundido na implosão da descarga elétrica, permanece ainda um material restante dentro da cratera de descarga que se solidifica rapidamente em contato direto com o eletrólito. Em virtude destas condições extremamente bruscas de solidificação, a superfície da descarga apresenta uma grande quantidade de poros e microcrateras. Por isso, esta região é definida tecnicamente como sendo altamente frágil e de dureza extremamente elevada. Logo abaixo desta camada frágil da cratera de descarga existe uma região do material metálico da peça que sofreu um elevado processo de aquecimento durante a descarga elétrica sem sofrer fusão e que foi resfriado também de forma rápida pela temperatura do eletrólito após a eliminação programada da fonte de tensão elétrica entre os eletrodos na finalização do tempo t D. Fala-se desta forma que existem junto à superfície da cratera de elétrica uma zona termicamente influenciada cuja espessura depende fundamentalmente do conteúdo energético da descarga elétrica em função do tempo e intensidade de corrente elétrica e das propriedades físicas do material da peça e ferramenta. D D D Características geométricas da microcratera produzida na superfície dos eletrodos por motivo da alta temperatura da descarga elétrica produzida em eletrólito Altura da borda borda Volume da cratera na superfície do eletrodo Profundidade da cratera

9 Figura 3: Cratera de descarga produzida na superfície dos eletrodos pela descarga elétrica Através da montagem de uma bancada experimental com câmera de alta velocidade foi possível analisar qualitativamente por meio de fotos de elevada resolução todas as principais fases evolutivas de uma descarga elétrica em eletrólito sob condições experimentais altamente controladas. O principal pressuposto técnico para se desenvolver uma descarga elétrica de alto conteúdo energético em eletrólito é a formação de uma quantidade suficiente de gás hidrogênio como conseqüência de fenômenos eletroquímicos e que acarreta posteriormente um completo isolamento elétrico do espaço entre os eletrodos submetidos a um potencial elétrico. A elevada temperatura da descarga elétrica formada acarreta em uma microfusão localizada na superfície da ferramenta e peça. Os experimentos realizados geram ainda importantes resultados práticos dentro do campo da física aplicada que estuda os fenômenos de geração de descargas elétricas em meios gasosos ionizados sob condições tecnológicas extremamente especiais. Bibliografia [1] s. A. wikipedia. [2] Wand, F., Zhao L. and Zhang, Y. Crystallization dynamics of supersaturated NaClO4 aerosols studied by high-speed photography. Chinese Science Bulleting, vol. 53, n 14, p , july [3] Wllmot, G. Fast cracks in high-speed photographs of shocked diamond. Journal: Philosophical Magazine & Philosophical Magazine Letters, 29 Sep., [4] Ye, Z. G. Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric Synteses, properties and applications. Woodhead publishing limited, [5] Cavalcanti, G. H. Estudo do plasma produzido por descarga elétrica no limiar da transição Townsend glow. Universidade Federal Fluminense, [6] Hauser, G. Bauphysikalischen Grundlagen Wärmelehre. Vorlesungsskript Bauphysik I, September 206. [7] Schellhammer, C. Photoionisation und Photodissoziation von Wasserstoff. Albert-Ludwigs- Universität, Fakultät für Physik, [8] Souza, A. Grundlagen des ECDM-Bohrverfahrens mit der Verwendung neutraler Elektrolytlösungen Ein Kombinierter Bearbeitungsprozess. Dissertação de Doutorado, Versão [9] Chen, W. K. The electrical engineering handbook. Elsevier, [10] Chang, R. Química. Sexta edición. Editora Mcgraw Hill. [11] Hays, W. H., Buck, J. A. Engineering electromagnetics. Sixth Edition, Mcgraw Hill Alexandre de Souza é engenheiro e mestre em engenharia mecânica formado pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Atualmente, é doutorando em engenharia mecânica pela Universidade Técnica de Dresden, Alemanha - desouza.alexandre@bol.com.br