Construção de um Dispositivo para Calibração de Células de Carga

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, [email protected] 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. Palavras­chave: 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. Palavras­chave: 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 

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 tração­compressão, 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:

○ 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 25­30 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   FC­20,   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 DD­300:  ○ 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  FY­B25 ○ Fresadora,  Lagun FTV­2 ○ 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  analógico­Digimes ○ Escala ,Esquadro ○ Paquímetro  digital de 150 mm­  ○ Micrômetro digital de  0­25 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. 

Tabela 1. Características fornecidas pelo fabricante das células de carga testadas (Aeph  do Brasil Indústria e Comercio Ltda.) Célula de carga  20 kgf 50 kgf Material Alumínio Anodizado Sensibilidade 2,0000 mV/V  +/­ 10% Não Linearidade < 0,03% FSO* Histerese < 0,03% FSO Equilíbrio do Zero +/­  1% Faixa Temperatura Operacional ­20ºC a +50ºC Faixa de Temperatura Nominal  ­10ºC a +40ºC Sobrecarga Segura (Sem Ruptura) 150 % FSO Sobrecarga de Ruptura 300 % FSO Tensão Recomendada 10 V Tensão Máxima de Excitação VDC ou VCA 15 V Resistência Elétrica Entrada 410 W +/­ 30 W** Resistência Elétrica Saída 350 W +/­ 3 W Resistência de Isolação (50 V) > 2 G W Grau de Proteção IP­67 Cabo Blindado 4 X 24 AWG 3,0 m * FSO: Full Scale Output ** W: ohms Foram utilizadas rótulas  RM­06 e RM­12, acopladas às células de carga de 20 e  50 kg respectivamente, que permitem o alinhamento da força aplicada às célula em modo  tração. 2.2. 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, instalou­se   uma chapa (7) com 4 furos roscados     allien M6. Presa à  chapa  com 4 parafusos, colocou­se 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. 

Neste   processo,   foram   utilizadas   as   máquinas   operatrizes   mencionadas   na   seção  materiais e equipamentos. Observe­se 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.

Acionando­se o manípulo, tracionam­se  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, realizou­se 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 

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. Addison­Wesley  Inc., London, England, 1990. Holman, J.P., “Experimental methods for engineers", 7th edition, Ed. McGraw­Hill Science  Engineering, New York, 2000. Chiaverini, V., ”Aços e Ferros Fundidos”, 4a edição, Ed. Associação Brasileira de Metais  (ABM), S.Paulo, Brazil, 1981.