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Transcrição

1 Série de conceitos básicos de medições com sensores

2 Medições de torque, pressão e carga Renan Azevedo Engenheiro de Produto, DAQ & Teste NI Henrique Sanches Marketing Técnico, LabVIEW NI

3 Pontos principais Fundamentos básicos das medições baseadas em ponte Fundamentos básicos do torque, pressão e carga Vantagens do TEDS (Datasheet de transdutores eletrônicos) Redução de erro de medição

4 Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador

5 Ponte de Wheatstone O gage mede a resistência (ex: Ohms) que é convertida em deformação quando uma força é aplicada. Fator de gage é a relação entre a variação da resistência e a variação da deformação. Um ΔR específico no gage é igual ao ΔL específico no material de base. Gage _ Factor F + aumento da resistência = aumento da saída Strain R R L L L R L R (1) R R R RF V i n V out V out V B V D - diminuição da resistência = aumento da saída

6 Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador

7 Entenda os sensores de pressão A pressão é definida como uma força por unidade de área. Todos os sensores de pressão usam um dispositivo de soma de força para converter a pressão em um tensionamento ou deslocamento proporcional à pressão. A tensão mecânica ou deslocamento são aplicados em um elemento de transdução elétrica para gerar o sinal necessário. Os exemplos abaixo geralmente são relacionados à pressão de piezoresistores de silício. Pressão (força/área) Deformação do elemento de detecção Modificação nas propriedades elétricas Modificação na saída Exemplos... RB- R RB+ R RB+ R RB- R

8 Entenda a pressão do tipo piezoresistores Piezoresistência = modificação da resistência elétrica devido a uma tensão mecânica. Os elementos de transdução que convertem o estresse da deflexão do diafragma em um sinal elétrico são piezoresistores. Conforme ilustrado, geralmente são usados 4 piezoresistores - conectados em um circuito de ponte Wheatstone - para oferecer uma saída que se altera principalmente com a pressão exercida por um fluído... Piezoresistores Visão geral

9 Entenda os sensores de pressão baseados em folha Dois tipos básicos de sensores de pressão baseados em folha: Diafragma Sensor de força Strain Gages Diafragma Strain Gages Transmissor mecânico Elemento de gage Diafragma Porta de pressão Fluido sob pressão Duto Fluido sob pressão Diafragma de gage Sensor de força gage com transmissor mecânico

10 Inches Water Psi of Vacuum Barometric Absolute Gage True Gage Differential Pressure Tipos de sensores de pressão Absoluto Pressão a ser medida comparada a um vácuo absoluto. Gage Pressão a ser medida comparada à pressão atmosférica no dia em que o sensor foi selado. Pressure Gage real Pressão a ser medida comparada à pressão atmosférica atual. Diferencial Pressão a ser medida comparada à outra pressão a ser medida. Today s Atmospheric Pressure Atmospheric Pressure on day gage was sealed Barométrico Pressão atmosférica atual comparada a um vácuo absoluto. Absolute Vacuum

11 Entenda as células de carga Medição de força direta através de células de carga. A estrutura (Spring Element) é o componente mais vital Bending beam Collum Shear-Web Tecnologia strain gage - uma das principais ferramentas das células de carga. Classificação dos ciclos de trabalho das células de carga: Resistência à fadiga Uso geral Bendingam beam Multiple Bending Beam Load Cells Baixa capacidade: 20 20K N Low Capacity: 5 to 5,000 Lbs. Columm Multiple-Column Load Cells High Alta Capacity: capacidade: 25 KLbs. 110K to 2000 klbs. 9M N Shear Web Shear-Web Load Cells Capacidade: 2K 1M N Capacity: 500 to 200 klbs. Strain Gage (Ponte de Wheatstone ou circuitos elétricos) P P C T T T C C C C T T C T C C T T T C T C P C T V in V out Wheel-shaped spring element, adaptable to low profile trasducers. Four active gages with pairs subjected to equal and oposite strains (beam in bending or shaft in torsion). v Multi-column load cell for increased capacity. Four active gages in v uniaxial stress field two aligned with maximum principal strain, two "Poisson" gages (column). Spring element in wheel form, with radial webs subject to direct shear. Four active gages with pairs subjected to equal and oposite strains (beam in bending or shaft in torsion).

12 Tipos Células de Carga Três categorias principais de células de carga: Bending Beam Shear Beam Column

13 Entenda o torque Um sensor de torque mede a torção ou diferença de rotação entre um eixo de rotação e a carga, como um virabrequim ou um pedal de bicicleta. Torque - Força * Distância Quatro principais projetos de sensores de torque: Oco cruciforme Eixo quadrado Raio Radial Tubular oco T T Tubular oco 45 T Raio Radial Radial Spoke Oco Hollow cruciforme Cruciform Solid Eixo Square quadrado Shaft T r T T r T r T r

14 Tipos de sensores de torque Sensores de torque de reação Sensores de torque rotatórios Anéis coletores Transformador rotatório MAGNETIC STRUCTURE STRAIN GAGED AREA SIGNAL TRANSFORMER EXCITATION TRANSFORMER STATIONARY Increase PRIMARY. WINDING Performance (TYP) Flexibility ROTATING SECONDARY Scope of application WINDING (TYP) 14 Telemetria Digital Telemetry As a System Reduce. Installation time Product weight and size Initial cost and the cost of ownership

15 Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador

16 Tecnologia TEDS Template padronizado IEEE. Armazena informações específicas do sensor em uma memória EPROM onboard do sensor. A instrumentação deve poder ler o chip TEDS.

17 Vantagens do TEDS Monitoramento do sensor Períodos de calibração. Associa dados a um sensor específico. Reduz o tempo de configuração do sistema Informações de calibração e escala são automaticamente carregadas no software.

18 Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador

19 Medição de sensores baseado em ponte Excitação para alimentação de ponte ADC para medir sinais Detecção remota Calibração de Shunt

20 Nível de excitação Relação sinal/ruído (SNR) Excitação mais alta gera uma melhor SNR. Impacta no autoaquecimento do gage Excitação mais alta leva ao autoaquecimento. o Altera a capacidade adesiva de transferir deformação. o Altera a sensibilidade e resistividade do gage. Dependente da configuração de ponte

21 Estabilidade da excitação A relação de tensão é usada em todas as equações para calcular a deformação. (V com deformação V sem deformação ) / V excitação Excitação instável gera erros na leitura. Detecção remota.

22 Medições de ponte ratiométrica Abordagem tradicional Abordagem ratiométrica Vantagens Alta precisão e baixa susceptibilidade Requisitos de projeto reduzidos permitindo maior quantidade de canais.

23 Calibração com zeragem Remove offsets. Garante que ~0 V seja medido quando um gage não tem deformação. Compensa o desequilíbrio inerente à ponte. Pode ser feita em hardware ou software.

24 Calibração de Shunt + V IN - + _ V EX

25 Calibração de shunt e zeragem ε Erro de offset Sem calibração Calibração com zeragem de offset Erro de ganho Calibração de shunt e zeragem de offset σ

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27 Teste de vazamento de componente Desafio Desenvolver um separador lama-gás que aumentasse a eficiência e a flexibilidade das perfurações sub-balanceadas. Solução Usar o LabVIEW da National Instruments para projetar um sistema IHM/SCADA compacto e econômico que possa antecipar o início da produção.

28 Demonstração de medição de pressão

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30 Aquisição de Medição PXI Módulos de entrada para ponte completa PXIe-4330 PXIe-4331 PXIe-4339 CompactDAQ Módulos de entrada para ponte completa NI 9219 NI 9237 CompactRIO Módulos de entrada para ponte completa NI 9219 NI 9237 Vantagens da plataforma Melhor sincronização Padrão amplamente adotado pela indústria Vantagens da plataforma Medições de transferência de forma de onda Rápida customização de software Vantagens da plataforma Medições determinísticas em um único ponto Temporização e trigger customizado

31 Aquisição de Medição Compatibilidade garantida Inclui TEDS Carga Tipos de transdutores Low Profile S-Type Miniature Pressão Tipos de transdutores Precision Flush Diaphragm Subminiature Torque Tipos de transdutores Reaction Rotary

32 /data-acquisition