Medição de Força e Torque. Capítulo V

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Iago Bentes de Caminha
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1 Medição de Força e Torque Capítulo V 1

2 Métodos Básicos de Medição de Força Contrabalanceando a força gravitacional sobre massas padrões diretamente ou através de sistemas com alavancas. Medindo-se a aceleração de um corpo de massa conhecida sobre o qual é aplicado a força. Transformando-se a força em pressão em um fluido e então se medindo a pressão. Aplicando-se a força em algum membro elástico e então medindo a deflexão ou a deformação. 2

3 Medição de forças por balanças Inicialmente cabe diferenciar massa e força: massa é uma propriedade inercial, a medida de quantidade de matéria de um corpo. Força é uma quantidade vetorial associada à massa, necessária para mudar a quantidade de movimento do corpo. O método mais simples de se medir uma força é compará-la com uma força conhecida, gerada por uma massa conhecida. Balança de pivot central. Balança de massa deslizante. 3

4 Medição de forças por balanças 4

5 Medição de força por aceleração F = m.a 5

6 Medição de força por pressão Tem capacidade de medir alta intensidade de força. Este tipo de sensor pode usar um gás ou um líquido. Um tipo especial de medição por pressão é a célula de carbono, neste caso a compressão do carbono altera sua condutividade elétrica e então altera a tensão e a medida no circuito elétrico célula de carbono 6

7 Medição de força por deflexão ou deformação Neste método, usa-se a elasticidade dos materiais e o uso de molas. 7

8 Medição de força por deflexão ou deformação Exemplo de dimensionamento do número de espiras de um dinamômetro: Vamos projetar uma balança de mola para capacidade máxima de 50 N com a deflexão total de 10 cm. Baseado na especificações, a constante da mola, k, é igual a k = (50/10) = 5 N/cm. A equação de deflexão comumente usada para molas helicoidais é k = (Ed 4 /8nD 3 ), sendo E o módulo elástico torcional da mola, d o diâmetro do material da mola, D o diâmetro do helicóide e n o número de espiras. Se a mola é feita de aço (E=80 x 10 9 Pa), d = 2 mm e D = 2 cm, o número de espiras necessárias é n=40. 8

9 Medição de força por extensômetros Os extensômetros são atualmente os dispositivos de medição de força mais utilizados. O extensômetro é uma pequena superfície metálica que é colada no corpo do material que se deformará. A deformação do extensômetro é medida por variação da sua resistência elétrica. Mas como medir com extensômetros? Inicialmente deve-se selecionar o extensômetro dentre os ofertados por fabricantes. A variável básica é o denominado fator do extensômetro, K, fornecido nos catálogos dos fabricantes. O fator do extensômetro é a razão entre a variação relativa da resistência e a deformação axial, 9

10 Medição de força por extensômetros A figura abaixo mostra um modelo de célula de carga com extensômetro, usado tanto para compressão quanto para tração. 10

11 Exemplo Um extensômetro de fator K = 2 está montado em uma barra de aço retangular, que tem módulo de elasticidade E = 200 x 10 6 kn/m2. A barra tem 3 cm de largura e 1 cm de altura e está sob a ação de uma força de tração de 30 kn. Determine a variação de resistência do extensômetro se sua resistência sem carga é 120 ohms. Primeiro o cálculo da tensão, s = F/A, s = 1,0 x 10-5 kn/m 2 ; Após, o cálculo da deformação com a equação de Hooke, e = s / E = 5,0 x 10-4 m/m. A variação relativa da resistência, dr/r, é o produto da deformação com o fator do extensômetro, K: dr/r = e K = 1,0 x 10-3 ohm/ohm 11

12 Medição de torque Torquimetro é uma ferramenta também conhecida por chave dinamométrica, usada para medir o torque. O torque é definido a partir da componente perpendicular ao eixo de rotação da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazer ele girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto de rotação. A distância do ponto pivô ao ponto onde atua uma força F é chamada braço do momento e é denotada por r. O torque é definido pela relação: 12

13 Tipos de torquimentros Elemento sensor baseado na flexão da haste. Para torques à direita e à esquerda. Escala dupla (N.m e Kgf.m). 13

14 Tipos de torquimentros Torquimetro com extensômetros: 14

15 Tipos de torquimentros Medidor óptico de torque: 15

16 Tipos de torquimentros Medição de torque em motores. 16

17 Medição de pressão Capítulo VI 17

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30 Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio. 30

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39 Os materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são recomendados pelo fabricante. 39

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48 Fole com potenciômetro 48

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50 Diafragma com extensômetro 50

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67 Uma mola de fio magnético é atachada ao diafragma que ao ser submetido a um campo magnético e ser percorrido por uma corrente elétrica entra em oscilação.a freqüência de oscilação é proporcional ao quadrado da tensão (expansão/compressão) do fio. No sensor Silício Ressonante, não se usa fio e sim o silício para ressonar com diferentes freqüências que são funções da expansão/compressão(não é linear, é 1/f 2 ). O sensor é formado por uma cápsula de silício colocada em um diafragma, que ao se aplicar um diferencial de pressão, vibra e a freqüência de vibração depende da pressão aplicada. 67

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