Incertezas do Trilho como Célula de Carga

Em princípio, trilhos instrumentados estão sujeitos a apresentar as mesmas fontes de incerteza de medição que células de carga comuns, fontes estas relacionadas principalmente com os extensômetros [14]:

• histerese;

• problemas na colagem: impurezas entre material-base e extensômetro, camada de adesivo muito espessa ou não-homogênea, bolhas de gás;

• fadiga.

Células de carga de boa qualidade apresentam incertezas de medição na faixa de 0,05 % do valor indicado, sendo esse portanto o limite teórico mínimo de incerteza para um trilho instrumentado. Porém, além das fontes citadas, trilhos instrumentados possuem algumas fontes adicionais de erros que degradam sua qualidade como transdutor, analisadas a seguir.

a) Desgaste do Trilho

O trilho sofre uma alteração de suas características geométricas devido ao desgaste causado pelo atrito com a roda, principalmente em sua face superior e sua aresta superior interna (figura 3.24). A perda de massa pode alcançar de 1% a 2% por ano em vias de tráfego intenso, com uma diminuição de sua altura em até 1 mm.

Figura 3.24 Locais de maior Desgaste por Atrito Trilho

Esse desgaste tende a alterar com o tempo a distribuição de tensões no trilho causando, entre outros problemas, uma deriva lenta de sua linha neutra para baixo e, com isso, alterando os planos principais de tensão no local de colagem dos extensômetros. Essa pode ser considerada uma fonte sistemática de erros de medição que pode, dentro de certos limites, ser corrigida após calibração e ajuste.

b) Erros de Orientação e Posicionamento na Colagem dos Extensômetros

Um erro de giro no extensômetro “espinha de peixe” tem contribuição considerável na medição de tensão, pois causa erros de seno. Esse erro diminui a sensibilidade à deformação cortante. Caso o erro na orientação seja combinado com um erro de posicionamento vertical do extensômetro (figura 3.25), o extensômetro se tornará sensível à deformação normal e, portanto, o resultado da medição será indesejavelmente dependente do ponto de aplicação da carga dentro da zona de medição.

Figura 3.25 Erro de Orientação e Posicionamento na Colagem de um Extensômetro

c) Rigidez do Embasamento

Caso o embasamento (cascalho e terra) do trilho instrumentado não esteja bem assentado, esse pode se deslocar para baixo quando a roda exerce força sobre ele. Essa situação tem alguns efeitos indesejáveis sobre a medição. Primeiramente, como o trilho reage de forma similar a uma mola, esse é um caso classificado na mecânica dos materiais como carregamento dinâmico. As tensões que surgem no trilho não correspondem às do caso estático, mas ligeiramente menores, sendo que esses desvios se

tornam mais uma parcela do erro de medição. Em segundo lugar, haverá no local uma excitação de oscilações no vagão.

O deslocamento para baixo do ponto de contato entre a roda e o trilho deve-se a dois fatores: 1) elasticidade do trilho e 2) pouca rigidez do embasamento. A elasticidade do trilho contribui apenas com uma parcela muito pequena em relação ao deslocamento que o embasamento sofre. Mesmo em um caso extremo, no qual 15 t sejam aplicadas no ponto central de um trilho TR-45 entre dormentes espaçados por 0,5 m, o deslocamento vertical desse ponto central, devido à flexão, é calculado em menos de 1 mm. Já o deslocamento devido a um embasamento mal assentado chega a ser visível a olho nu.

Cabe ainda neste ponto uma consideração. A medição de massa de objetos em movimento, mesmo quando a base do sistema de medição é pouco rígida, ainda é teoricamente possível através das equações diferenciais de Lagrange [13]. Para isso se deve conhecer a posição relativa entre um referencial inercial e o embasamento do sistema de medição. Existem alguns raros sistemas de medição comerciais que utilizam este princípio para aplicações específicas. Porém, a medição da posição relativa não costuma ser algo trivial, incluindo o caso da balança ferroviária dinâmica.

d) Extensômetros muito Distanciados

Como os extensômetros de uma mesma ponte se localizam relativamente distanciados um do outro no sentido longitudinal, é difícil garantir um bom acoplamento térmico entre eles. Além disso, trilhos são expostos a um ambiente agressivo, trabalhando sob variações de temperatura muito maiores do que as células de carga convencionais, inclusive expostos diretamente à radiação solar. Assim, podem existir gradientes de temperatura consideráveis entre extensômetros. A faixa de temperatura aceitável para uso de extensômetros como transdutores de uso geral (p. ex. em manômetros) é de -20ºC a 70ºC e para uso em células de carga é de -10ºC a 40ºC ¹²[14].

Para este trabalho, foram realizadas medições de temperatura em trilhos, que mostraram que o mesmo pode atingir até 70ºC nas laterais em dias ensolarados.

Temperaturas elevadas como essa podem ultrapassar a capacidade de auto-compensação de temperatura da ponte, dos resistores auxiliares (seção 3.2.1), assim como acentuam o efeito de tensões termoelétricas parasitas.

e) Material-Base Inadequado

Diferentemente do que ocorre com células de carga comuns, não existe liberdade na escolha do material para a construção de trilhos instrumentados. Assim, os trilhos

12 As faixas aceitáveis de temperatura dependem do adesivo utilizado.

não são feitos a partir de materiais-base selecionados, de características mecânicas próprias para construção de células de carga (por exemplo, elevado limite de elasticidade, boa resistência à fadiga, anelasticidade, resistência à corrosão e linearidade da zona elástica). O custo torna impeditiva a fabricação de um trilho com um aço mais adequado, por exemplo, o ABNT-SAE 4140.

Mais um problema causado pelo material-base inadequado é o tipo de extensômetro a se utilizar para a instrumentação. Extensômetros para uso em transdutores de alta exatidão são fabricados de forma que suas características casem o mais perfeitamente possível com as características do material-base, como o anelasticidade (creep mecânico) e o coeficiente de dilatação com a temperatura [14][15].

Por exemplo, o creep (escorregamento ou fluência) é a tendência de um material de aumentar lentamente sua deformação com o tempo, quando sujeito a uma força constante. Assim, pode-se projetar um extensômetro para que apresente no tempo um efeito de mesma magnitude e sinal contrário, compensando o creep do material. Como é incomum utilizar o aço de trilhos ferroviários para a construção de transdutores, não se encontram comercialmente extensômetros com características específicas para esse tipo de material.