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Células de carga
Vigas de flexão, células de carga tipo botão e células de carga tipo S com tecnologia de medição de strain gauge
Guia para Células de Carga
Índice
Como funcionam os transdutores de força
Os transdutores de força consistem na sua cadeia de medição para aplicação de força de um corpo de deformação mecânica, um conversor mecânico-elétrico (elemento sensor) e um amplificador elétrico subsequente para processar o sinal medido.
A forma como todos os transdutores de força funcionam é basicamente a mesma, e metaforicamente falando, uma mola de flexão (corpo de deformação) ilustra melhor o princípio: Uma força é aplicada a um corpo de deformação, criando áreas de compressão e tensão. Os elementos sensores são montados neste corpo para detetar estas alterações de forma, convertê-las em sinais eléctricos e transmiti-las para processamento. Para se obter um resultado quase exato, as trajectórias de deformação devem ser tão pequenas quanto possível.
Dependendo da aplicação e das forças a serem medidas, são utilizados os seguintes corpos de deformação nos projectos de construção
- Vigas de corte
- Vigas S
- Células de carga
O design e os materiais determinam as caraterísticas de um sensor de força e, em particular, a força nominal.
Tecnologia de sensores de strain gauge
Em um transdutor de força, o elemento sensor é crítico para a qualidade da cadeia de medição, pois é o elemento que é submetido à compressão e tensão à medida que a força é aplicada. No entanto, apenas uma pequena parte de um transdutor de força é, de facto, o sensor de força. Para detetar as forças, os elementos sensores, conhecidos como extensómetros de folha, são fixados apenas em determinados pontos do corpo de deformação. Estes extensómetros (transdutores mecânico-eléctricos) convertem as tensões e compressões mecânicas no corpo de deformação em sinais eletricamente mensuráveis. Os extensómetros são constituídos por uma grelha de resistência metálica fina como uma bolacha e por uma folha de suporte isolante ligada ao corpo de medição num circuito de ponte de Wheatstone (quatro elementos de extensómetro) nas zonas de tensão e compressão calculadas: dois elementos detectam a tensão e dois a compressão que ocorre. Os elementos de strain gauge são alimentados por uma tensão de alimentação. Quando o corpo de medição é sujeito a tensão/compressão, a resistência na grelha do strain gauge altera-se e, consequentemente, a tensão de saída.
Como as alterações de resistência se situam numa gama de poucos mV/V, o sinal de tensão é processado no circuito amplificador seguinte para processamento posterior.
Vantagens da tecnologia de strain gauge:
- Precisão muito elevada
- Elevada robustez
- Muito bem adaptado para alterações dinâmicas de carga
- Estabilidade a longo prazo muito elevada
- Tecnologia comprovada
Circuito de ponte de Wheatstone
Com um corpo de medição sem carga num circuito de ponte de strain gauge equilibrado, a tensão de saída é zero volts. Como um corpo de medição reage às mudanças de temperatura com tensão e compressão, por exemplo, o circuito de ponte de Wheatstone suprime muito bem esses efeitos de temperatura. A tensão aparente tem pouco efeito sobre o ponto zero neste tipo de circuito. Uma vez que a magnitude e a direção de cada um dos dois pares de extensómetros (um par para compressão / um par para tensão) sofrem uma alteração quase idêntica na resistência, não há praticamente nenhuma alteração no sinal de saída resultante. Além disso, as influências mecânicas indesejadas do momento de flexão ou da força de cisalhamento na diagonal da direção de medição compensam, até certo ponto, a simetria do circuito da ponte extensométrica.
A tensão de saída Ua é zero se a relação de resistência de ambos os ramos da ponte for igual. Quando estas relações de resistência estão presentes, diz-se que a ponte está equilibrada. Ua é da ordem de alguns milivolts [mV], pelo que os sinais eléctricos são expressos na unidade milivolt por volt [mV/V].
Amplificador de medição (integrado ou externo) e calibração
De particular destaque são as nossas versões KT. Estes transdutores são oferecidos com um amplificador integrado no invólucro do sensor e são calibrados na fábrica. Isto elimina a necessidade de cablagem entre o sensor de força e o amplificador, bem como a necessidade de uma afinação demorada entre o sensor e o amplificador. É obtido um sinal estável numa unidade, caso contrário, na gama mV/V.
Todos os transdutores com eletrónica incorporada ou com saída normalizada são calibrados de fábrica na direção da força necessária em Newtons. O ponto zero e a sensibilidade são ajustados de acordo com a posição de montagem especificada (vertical ou suspensa) ou a direção da carga (compressão ou tensão).
Os amplificadores externos, como o nosso IMA2DMS, são, portanto, oferecidos para sensores sem amplificadores integrados.
Tipos KT com amplificador
Amplificador externo
Instruções de montagem
Devem ser seguidas algumas regras básicas importantes para garantir a instalação correta e segura dos transdutores de força.
Introdução de forças: Aplicar e dissipar forças sempre na vertical e com precisão
A carga deve ser aplicada com a maior precisão possível na direção de medição da célula de carga. Deste modo, a carga aplicada e a célula de carga formam uma linha de ação contínua. Para cargas compostas, a linha de ação real da força (vetor de força resultante) deve ser determinada e o transdutor alinhado em conformidade. Os componentes que actuam de forma diferente, tais como cargas excêntricas, forças laterais ou momentos de torção, são variáveis de perturbação e falsificam o sinal de medição. Para além disso, o corpo da mola pode ser deformado de forma irreversível. Não devem ser efectuadas deformações ou ajustes mecânicos (por exemplo, perfurações no corpo de medição)!
Proteção contra choques, sobrecargas e rupturas:
Na conceção de dispositivos de medição de força, a força nominal especificada deve ser rigorosamente respeitada, de modo a excluir incertezas de medição ou, em casos críticos, evitar a destruição por deformação irreversível do transdutor de força.
Se a conceção mecânica de um dispositivo de medição de forças não puder excluir a possibilidade de ocorrência de uma sobrecarga num caso crítico, devem ser instalados dispositivos adequados para proteger o sensor de forças. Por exemplo, os suportes podem limitar a gama de tensões do corpo de deformação no caso de forças de compressão.
Deve ser dada especial atenção à posição de montagem suspensa de uma célula de carga sujeita a forças de tração. No caso de cargas suspensas, devem ser tomadas precauções para fixar a carga (por exemplo, através de correntes ou cabos de suspensão montados paralelamente à célula de carga). Caso contrário, em caso de sobrecarga, a célula de carga pode "partir-se/rasgar-se" e a carga pode cair.
Propriedades da superfície: Superfície de apoio estável e sólida
Especialmente no caso das células de carga, o corpo de medição deve ser instalado numa plataforma sólida, de acordo com as instruções de montagem. Deve evitar-se a flexão da placa de base. A subestrutura prevista para a montagem deve ser suficientemente grande e ter uma superfície de montagem tão plana quanto possível.
Criação de uma cadeia de medição estruturalmente estável
O suporte de carga, os componentes de aplicação de força e o transdutor de força devem ser ligados de forma rígida, ou seja, sem folga. No caso de posições de montagem móveis, em particular também no caso de montagens de suspensão na direção da tração, devem ser utilizadas extremidades de haste ou porcas de anel para aplicação de força. No caso de graus de liberdade multiaxiais, deve ser utilizada uma montagem cardânica para evitar incertezas de medição e a destruição do transdutor por forças transversais e laterais não permitidas.
Força de tração e/ou compressão
Os transdutores de força são preferencialmente utilizados numa direção de carga, seja tensão ou compressão. Apenas as vigas em S são adequadas para cargas alternadas. As vigas de cisalhamento e as células de carga normalmente só podem ser carregadas em compressão (consulte a folha de dados para a aplicação de força). Os sensores de força com eletrónica integrada só são calibrados numa direção, seja em tração ou em compressão.
Evitar choques e vibrações
Os choques e as vibrações afectam o resultado da medição de um transdutor de força (força F = massa "m" x aceleração "b"), por exemplo, por sobreposição em medições estáticas. As forças dinâmicas envolvidas devem ser tidas em conta aquando da conceção das gamas de medição e deve ser evitada a sobrecarga do transdutor devido a alterações dinâmicas da carga. A frequência de ressonância dos vários corpos deformáveis depende, entre outros factores, da sua massa e rigidez (impedância mecânica). Uma carga vibratória deve estar muito abaixo desta frequência de ressonância na sua gama de frequências.
As células de carga convertem as forças aplicadas em sinais eléctricos. Dependendo da direção da força, um corpo de mola metálico é expandido ou comprimido, o que é detectado eletricamente por elementos sensores e transmitido para processamento de sinais. Os nossos transdutores de força são todos baseados na tecnologia comprovada de ponte completa de extensómetros e fornecem um sinal de saída analógico em mV/V.
As forças aplicadas ao corpo de medição não devem exceder a força nominal máxima para a qual a célula de carga foi projectada. A força nominal é determinada pela rigidez do corpo de medição. A rigidez do corpo de medição é determinada tanto pela conceção como pelo material.
Oferecemos uma vasta gama de células de carga standard para pequenas cargas até várias centenas de quilonewtons. A nossa experiência de muitos anos e o nosso vasto know-how de aplicação estão à sua disposição para a conceção optimizada de tarefas de medição especiais, mesmo para pequenas quantidades.