UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULESCOLA DE ENGENHARIA

RELATÓRIO DA AULA PRÁTICA SOBRE CALIBRAÇÃO DE UMA CÉLULA DE CARGA E LVDT

ALUNOS:Cinthia Gabriely Zimmmer

Daniel Rigon OrellanaJefferson Haag

Jonas Trento Buzatti

1 – INTRODUÇÃO

1.1 - LVDT

As letras LVDT são um acrônimo para Transformador Linear de Tensão Diferencial Variável, um tipo comum de transdutor eletromecânico que pode converter o movimento retilíneo de um objeto ao qual ele está acoplado mecanicamente em uma resposta elétrica correspondente. Sensores de posição linear LVDT são prontamente usados para medir movimentos tão pequenos como poucos milhões de uma polegada, mas são também capazes de medir posições até ± 20 polegadas.

1.1.1 Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento do transformador LVDT baseia-se na Lei da indução de Faraday, ela garante a geração de um campo magnético por um campo elétrico variável e a geração de um campo elétrico pro um campo magnético variável. No caso do transformador sempre que houver variação do fluxo magnético gerado pelo enrolamento primário alimentado por uma fonte alternada, haverá uma indução de uma força eletromotriz no enrolamento secundário causada por essa variação de fluxo alternado. Fig.1 A figura mostra um transformador com seus respectivos enrolamentos.

1.1.2 Estrutura interna A estrutura interna do transformador diferencial consiste de um enrolamento primário centralizado entre um par de enrolamentos secundários interligados em série reversa identicamente enrolados, simetricamente espaçados do primário.

Figura1 - Transformador com seus respectivos enrolamentos.

As bobinas são enroladas em um formato de uma peça oca de vidro estável reforçada de polímero, encapsulada contra umidade, envolvido em um alto escudo permeável magnético, e então seguro em um cilindro de aço de alojamento imaculado. Esta montagem de bobina é usualmente o elemento estacionário do sensor de posição. O elemento movente de um LVDT está numa armadura separada tubular de material magneticamente permeável que se chama núcleo, que está liberada para se mover axialmente, este núcleo é acoplado com o objeto que está se querendo medir.

Figura 2 - LVDT em corte

1.1.3 Funcionamento do sensor

Em operação, o enrolamento primário do LVDT é energizado por corrente alternada de amplitude apropriada e freqüência, conhecido como a excitação primária. O sinal elétrico de saída do LVDT é a tensão diferencial AC entre os dois enrolamentos, que varia com a posição axial do núcleo interno e a bobina LVDT. Quando o núcleo está no ponto central do LVDT a indução em cada bobina secundária é a mesma, logo a diferença entre as tensões é nula e a tensão de saída é 0V. Usualmente, esta saída AC de tensão é convertida por circuitos eletrônicos adequados para alto nível DC de tensão ou corrente que pode ser mais conveniente para usar.

Figura 3 - Amplitude da tensão induzida em cada bobina secundária para cada posição do núcleo.

1.1.4 Dados relevantes

1.1.4.1 Sensibilidade A sensibilidade do LVDT normalmente encontrado no mercado varia entre 0,2 a 2 Volts/cm de deslocamento por Volt de excitação aplicada ao primário.

1.1.4.2 Tensão e frequência de alimentação A tensão aplicada ao enrolamento primário na maioria dos casos é de 5 a 10 Volts, a uma freqüência de 60Hz a 5kHz.

1.1.4.3 Campo de medida O campo de medida de deslocamento do LVDT varia conforme o tipo. Unidades comerciais podem ser encontradas com deslocamentos entre 1 a 50 mm. Quanto maior o deslocamento, menor será a sua sensibilidade.

1.1.4.4 ErroO erro do LVDT é em geral de 0,5% a 2% para a máxima saída.

1.1.4.5 Resposta A resposta dinâmica, é limitada pela massa e pelo sistema mecânico de montagem.

Também é limitada pela freqüência da tensão de corrente alternada aplicada ao primário, isto é, a freqüência portadora do sistema eletrônico, deve ser maior que dez (10) vezes a máxima frequência que se deseja medir.

1.1.5 Características do LVDT O LVDT apresenta algumas características básicas como:

• Livre operação de atrito; • Resolução infinita; • Vida mecânica ilimitada; • Eixo único de sensibilidade; • Bobina e núcleo separáveis; • Ambientalmente robusto; • Ponto de repetibilidade nulo; • Rápida resposta dinâmica; • Saída absoluta; • Etc.

1.1.6 Evolução do LVDT A operação desses transdutores é seriamente afetada quando usado na proximidade de grande massa de materiais magnéticos, ou em campos magnéticos, provocando excessiva tensão na posição neutra e sinal não linear; entretanto pode-se diminuir o efeito do campo magnético com auxílio de blindagens nas bobinas e na fiação. Devido ao desenvolvimento dos instrumentos para a medida de corrente contínua, desenvolveram-se também esses transdutores de tal forma que pudessem serem excitados com corrente contínua, obtendo-se assim uma saída também contínua. Isto se faz atualmente introduzindo na entrada do LVDT um oscilador eletrônico que transforma a corrente contínua em corrente alternada de tensão estabilizada e proporcional à entrada. Esta tensão é que alimenta o primário do LVDT. Na sua saída é acoplado um sistema eletrônico composto de um demodulador e um filtro passa baixa, obtendo-se assim uma saída em corrente contínua. 1.1.7 História do LVDT O LVDT surgiu no começo do século passado, sendo utilizado para controle de potência AC de motores e geradores. Por volta de 1930, o LVDT começou a ser usado em processos telemétricos em equipamentos de análises químicas, tornando-se dispositivo linear. Na segunda guerra mundial o LVDT era usado para indicar posição nula em aviões, torpedos, máquinas industriais e outros equipamentos específicos; O uso do LVDT foi difundido com a publicação do artigo “The Linear Variable Differential Transformer” por Herman Shaevitz em 1946 (Proceedings of the SASE, Volume IV, No. 2). Em 1957 Engenheiros Japoneses desenvolvem o primeiro micrômetro digital utilizando um LVDT. 1.1.8 Utilização do LVDT • Aviões; • Submarinos; • Navios;

• Naves espaciais; • Laboratórios espaciais; • Reatores nucleares; • Medições industriais; • Laboratórios de indústria química.

1.1.9 Esquemas do LVDT1.1.9.1 Esquema elétrico simplificado

Figura 4 - Esquema elétrico do LVDT

1.1.9.2 Esquema de funcionamento

Figura 5 - Esquema de funcionamento com ilustração do sinal de cada enrolamento e do sinal de saída quando LVDT está com o núcleo móvel na posição central

1.1.9.3 Esquema 3D do LVDT

Figura 6 - Esquema de visualização em terceira dimensão do LVDT

1.1.9.4 Esquema 2D do LVDT

Figura 7 - Esquema de visualização 2D do LVDT

1.2 – Célula de Carga

1.2.1 - Princípios de Funcionamento

O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage (Fig. 8), quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 9) e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada.

Figura 8 – Representação de um Strain Gage

Figura 9 – Ponte de Wheatstone: Completa (à esquerda), 1/2 ponte (à direita).

Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre-berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua deformação. A força atua portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade. Obviamente que a forma e as

características do corpo da célula de carga devem ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução, visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força atuante e a consequente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condições ambientais. A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos resultados.

Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensômetros.

Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da "histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam com as descargas respectivas Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade" ou seja, indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga

Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma.

Figura 10 – Circuito da Ponte de Wheatstone a esquerda; aparelhos para calibração analógica da célula de carga a direita.

2 – METODOLOGIA

2.1 – Procedimento para Calibração da célula de carga

Foi utilizado o equipamento “Spider” para aquisição de dados e um anel dinanométrico de 40 toneladas para calibração da célula de carga. Abaixo segue o procedimento para calibração:

Figura 11 – Ligação das portas no Spider

1º Passo: CC ligada na porta 0 (zero) do spider.2º Passo: Ligar o spider pela porta da impressora LPT13º Passo: Ir em “Profissional” 1/0 Definitions New advice (escolhe o nome) (escolhe spider 8) (escolhe porta LPT1)

4º Passo: Conection Adicionar “device_10 e escolher o canal 0 (zero) 5º Passo: Slot Escolher o “Chanel 0 (zero)

6º Passo: Settings Setup: escolher ponte inteira e 3mV/V

7º Passo: Imput Selecionar: Allow tare

8º Passo: Escolher frequência de 2 Hz

9º Passo: Scaling Escolher user: saída em Toneladas

10º Passo: 56,7 na tabela - 0 ton de solicitação e clica 2 vezes para medir em mV (deve ser zero) 4 ton de solicitação e clica 2 vezes para medir em mV 70,8: 5 ton se solicitação e clica 2 vezes para medir em mV

Escolher NÃO detectar todos os canais, pois

pode travar o Windows

2.2 – Procedimento para Calibração do LVDT

Para a calibração do LVDT é utilizado o mesmo procedimento da célula de carga, só mudando no “Setting” onde escolhemos ½ ponte (half bridge) e 500mV/V.

3 - RESULTADOS

3.1 – Célula de carga:Os resultados da Calibração da Célula de Carga estão apresentados abaixo:

Tensão Relativa (mV/V) Massa (ton)0,00012 00,06756 40,08424 50,1003 60,1345 80,1678 100,2102 12,50,2524 150,2951 17,50,3667 200,4202 250,5046 300,5884 35

Tabela 1 – Calibração da célula de carga.

y = 58,908x - 0,0033R2 = 0,9979

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Tensão Relativa (mV/V)

Mas

sa (t

on)

Figura 12 – Gráfico Tensão Relativa x Massa

3.2 – LVDT:Os resultados da Calibração do LVDT estão apresentados abaixo:

Tensão Relativa (mV/V) Deslocamento (mm)0 0

-5,46 6,26-8,88 7,35-11,02 8,21-15,74 9,30-17,74 10,14-22,14 12,00-27,14 14,04-31,86 16,01-37,66 18,02-41,08 20,00-66,00 30,01-91,54 40,02-115,70 50,02

Tabela 2 – Calibração do LVDT.

y = -0,4089x + 2,8742R2 = 0,9955

0

10

20

30

40

50

60

-140-120-100-80-60-40-200

Tensão Relativa (mV/V)

Des

loca

men

to (m

m)

Figura 13 – Gráfico Tensão Relativa x Deslocamento

3.3 Testando a calibraçãoFoi testada a calibração da célula de carga e do LVDT onde tivemos os seguintes resultados:

Célula de carga (ton) Carga medida (ton)10 9,96

Medida no paquímetro (mm) Medida no LVDT (mm)18,08 17,6621,90 21,61