Construção de um Dispositivo para Calibração de Células de Carga

Transcrição

1 Construção de um Dispositivo para Calibração de Células de Carga F. R. Faustino, E. E. Franco, A. G. Gómez Laboratório de Fenômenos de Superfície LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo USP, Resumo As celulas de carga são os dispositivos mais utilizados na medição de forca, isso devido a sua excelente linearidade e seu baixo custo. O principio de medição desses dispositivos é a variação da resistência nos extensômetros (strain gage) que a compõem em função da carga aplicada. Como a medição da resistência é feita indiretamente a partir da uma tensão elétrica associada que depende da resistência do extensômetro, a tensão elétrica de excitação e as propriedades do sistema de aquisição de dados, é necessário um processo de calibração. Esse processo de calibração consiste em medir a tensão elétrica para vários valores conhecidos de forca. Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo adequado para a calibração de células de carga. Para testar o funcionamento do dispositivo duas células foram calibradas a tração, de 50 e 20 kgf, mostrando a funcionalidade e eficiência do sistema. Palavras chave: Célula de carga, calibração, tração, compressão. Resumen Las células de carga son los dispositivos más utilizados en la medición de fuerza, eso se debe a la excelente linearidad que poseen y a su bajo costo. El principio de medición de estos dispositivos es la variación en la resistencia de las galgas extensométricas (strain gages) que la componen en función de la carga aplicada. Como la medición de la resistencia es hecha indirectamente a partir de un voltaje asociado que depende de la resistencia de las galgas, la tensión eléctrica de excitación y de las propiedades del sistema de adquisición de datos, se hace necesario un proceso de calibración. Ese proceso de calibración consiste en medir el voltaje para varios valores conocidos de fuerza. En este trabajo fue desarrollado un dispositivo adecuado para la calibración de células da carga. Para testar el funcionamiento, dos células de carga, de 50 y 20 kgf, fueron calibradas a tracción mostrando la funcionalidad y eficiencia del sistema. Palavras chave: Célula de carga, calibración, tracción, compresión. 1. INTRODUÇÃO As células de carga são dispositivos utilizados para medir força. Estão constituídos geralmente por 4 extensômetros (strain gages) conectados na configuração de uma ponte de Wheatstone, como mostrado na figura 1b, e colados numa peça mecânica especialmente projetada. Em dois terminais elétricos da célula é aplicada uma tensão

2 elétrica bem regulada, chamada de excitação. Nos outros dois terminais da célula, chamados de saída, é medida a tensão elétrica que depende da forca aplicada na célula. A figura 1a mostra uma célula de carga típica usada para medir forças de tração compressão (Beckwith 1990). As células de carga apresentam atualmente uma vasta gama de aplicações: em balanças comerciais, em automatização e controle de processos industriais e numa grande quantidade de aparelhos de medição. Em particular, em laboratórios que atuam na área tribológica como o Laboratório de Fenômenos de Superfície da EPUSP, as células de carga são utilizadas em equipamentos de medição tais como: máquinas de ensaio de pino sobre disco, máquinas para ensaio de desgaste abrasivo a quente e de roda de borracha, entre outras. A calibração das células de carga é fundamental para obter medições precisas e confiáveis. Consiste basicamente em medir a tensão elétrica, ou diretamente a deformação em alguns casos, na célula de carga a valores conhecidos de forca aplicada (Holman 2000). O objetivo principal deste trabalho foi construir e testar um dispositivo para calibração de células de carga. a) b) Figura 1. a) célula de carga típica usada para medir cargas de tração compressão, b) esquema elétrico da célula (Aeph do Brasil Indústria e Comercio Ltda.) 2. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Na construção do dispositivo de calibração, foram empregados os seguintes componentes: 1. Tirante: para prender manípulo,(h=520 mm, L=480 mm, esp=25 mm). 2. Manípulo: para acionar o parafuso roscado. 3. Parafuso roscado, preso à célula de carga(parafuso M12x1.75). 4. Estrutura de aço retangular (680 x 480 x 40 mm, ABNT 1045). 5. Vibra stop Mac, com as seguintes características:

3 Carga estática por peça de 200 Kg. Carga dinâmica por peça de 800 Kg. Diâmetro externo de 62 mm. Diâmetro da borracha de 52 mm. Altura regulável de mm. Dureza da borracha de 55 shore A. Deflexão de 2.1 mm/200 kgf; Parafuso de ajuste de ¼ x 2.1 ½. 6. Mesa de ferro fundido cinzento classe FC 20, com rasgo em T (475 x 310 x 37 mm) (Chiaverini 1981); 7. Chapa de aço, base da mesa (455 x 385 x 15 mm, SAE 4140); 8. Dinamômetro digital e célula de carga do dinamômetro (100 kgf). Na calibração das células de carga foram empregados os equipamentos descritos a seguir (figura 2b): 1. Dinamômetro Digital Instrutherm Modelo DD 300: Escala 100 kgf/220lb/980 N; Indicação mínima: 0,15kg/0,35LB/1,4N; Precisão +/ 0,5% + 2 dígitos (23+/ 5ºC)). Para a construção do dispositivo foram utilizadas as seguintes máquinas operatrizes e ferramentas 1. Máquinas operatrizes Serra de fita automática, Franho Torno mecânico horizontal, Romi S30 Furadeira de bancada, Yadoya FY B25 Fresadora, Lagun FTV 2 As ferramentas utilizadas foram: Jogo de machos de roscar M6, M8, M12 2. Brocas de aço rápido de 6,8 mm; 5,0 mm; 10,30 mm Punção de bico Tinta de traçagem Riscofer Traçador analógico Digimes Escala,Esquadro Paquímetro digital de 150 mm Micrômetro digital de 0 25 mm Fresa de topo de 4 saídas de 10 mm 2.1 Células de carga testadas As células de carga usadas foram as AEPH TS de 50 e 20 kgf, com as propriedades mostradas na tabela 1.

4 Tabela 1. Características fornecidas pelo fabricante das células de carga testadas (Aeph do Brasil Indústria e Comercio Ltda.) Célula de carga Material Sensibilidade Não Linearidade Histerese Equilíbrio do Zero Faixa Temperatura Operacional Faixa de Temperatura Nominal Sobrecarga Segura (Sem Ruptura) Sobrecarga de Ruptura Tensão Recomendada Tensão Máxima de Excitação VDC ou VCA Resistência Elétrica Entrada Resistência Elétrica Saída Resistência de Isolação (50 V) Grau de Proteção Cabo Blindado 4 X 24 AWG 20 kgf 50 kgf Alumínio Anodizado 2,0000 mv/v +/ 10% < 0,03% FSO* < 0,03% FSO +/ 1% 20ºC a +50ºC 10ºC a +40ºC 150 % FSO 300 % FSO 10 V 15 V 410 W +/ 30 W** 350 W +/ 3 W >2GW IP 67 3,0 m * FSO: Full Scale Output ** W: ohms Foram utilizadas rótulas RM 06 e RM 12, acopladas às células de carga de 20 e 50 kg respectivamente, que permitem o alinhamento da força aplicada às célula em modo tração Aquisição de dados O sistema de aquisição de dados usado foi o dispositivo CompaqDAQ da National Instruments, com conectividade USB, e uma placa NI9237, também da National Instruments, especialmente projetada para esse tipo de sensores. Foi feito um programa na linguagem C que faz aquisição continua a uma taxa de 1 amostra/s e que fornece um valor de deformação ( L /L ) direitamente. 3 MÉTODO 3.1 Montagem do dispositivo de calibração Para a construção do dispositivo de calibração, foram feitos 4 furos passantes de ¼ na parte inferior de uma estrutura de aço (4) para fixação dos mini vibra stop (5). Na parte superior, instalou se uma chapa (7) com 4 furos roscados allien M6. Presa à chapa com 4 parafusos, colocou se uma mesa com rasgo em T (6). Em seguida, passou se à montagem de um tirante em U(1), fixado à estrutura com os parafusos Allien M8.

5 Neste processo, foram utilizadas as máquinas operatrizes mencionadas na seção materiais e equipamentos. Observe se que o dispositivo foi montado de maneira que, se necessário, poderá ser modificado, já que todas as fixações são feitas com parafusos roscados, exceto às das estruturas, cujo conjunto foi soldado. 3.2 Calibração à tração A Figura 2b mostra a montagem realizada para o ensaio de calibração das células de carga à tração. Inicialmente, a célula de carga do dinamômetro foi sujeita ao parafuso roscado, e a esta foi pendurada à célula de carga a ser calibrada. Na mesa com rasgo em T foram montados 2 ganchos presos a um pino, que foi acoplado à parte inferior da célula de carga a ser calibrada. O objetivo de este pino foi prender a parte inferior da célula a ser calibrada à mesa, evitando assim o seu deslocamento. a) b) Figura 2. a) dispositivo de calibração, b) dispositivo de calibração com a célula de carga de 50 kgf instalada.

6 Acionando se o manípulo, tracionam se as células de carga. O valor de deformação da célula de carga a ser calibrada é indicado pelo Programa de Aquisição de Dados, criado pelo Eng. Ediguer Franco, e o valor de carga é indicado pelo dinamômetro. Por meio deste processo, realizou se a calibração das duas células. Para a célula de 50 kgf foram realizadas 9 medições, com cargas de 5 em 5 kg aproximadamente. Quanto à célula de 20kgf, foram 6 medições, para cargas de 4 em 4 Kgf aproximadamente. Figura 3. Deformação obtida em função da carga. 4. RESULTADOS Na Figura 2a pode ser observado o dispositivo de calibração construído. Na Figura 3 são mostrados os resultados de deformação em função da carga aplicada nas duas

7 células de carga. Pode ser observado, para ambas células de carga, que a relação entre força aplicada e deformação apresenta um comportamento totalmente linear (R2 =1) como era esperado. Portanto, com estes gráficos será possível calcular qualquer carga aplicada a cada uma das células calibradas medindo o valor de deformação (com ajuda do programa de computador desenvolvido para esta finalidade). Durante o ensaio de calibração foi observada uma dificuldade para aplicar um valor preciso de carga, este problema poderia ser corrigido colocando uma mola entre a haste do parafuso do manípulo e a célula de carga, embora este fato não influencia nos resultados, esta modificação poderá ser feita posteriormente para melhorar o dispositivo construído. 5. CONCLUSÕES Com o dispositivo construído foi possível realizar calibração de células de carga submetidas a cargas de tração. As células de carga calibradas apresentaram uma relação linear entre carga aplicada e deformação. Foi possível obter curvas de calibração para as células de carga ensaiadas, o que permitirá determinar as cargas de tração aplicadas a estas células em ensaios posteriores. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à professora Izabel Machado pela ajuda na realização deste trabalho. 7. REFERÊNCIAS Beckwith, T.G., Buck, N.L., Mechanical measurements, 4th edition, Ed. Addison Wesley Inc., London, England, Holman, J.P., Experimental methods for engineers", 7th edition, Ed. McGraw Hill Science Engineering, New York, Chiaverini, V., Aços e Ferros Fundidos, 4a edição, Ed. Associação Brasileira de Metais (ABM), S.Paulo, Brazil, 1981.