Artigo - LFS - USP
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IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
Construção de um Dispositivo para Calibração de Células de Carga<br />
F. R. Faustino, E. E. Franco, A. G. Gómez<br />
Laboratório de Fenômenos de Superfície – <strong>LFS</strong>, Departamento de Engenharia Mecânica,<br />
Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – <strong>USP</strong>, francisco.faustino@poli.usp.br<br />
Resumo<br />
As celulas de carga são os dispositivos mais utilizados na medição de forca, isso devido a<br />
sua excelente linearidade e seu baixo custo. O principio de medição desses dispositivos é<br />
a variação da resistência nos extensômetros (strain gage) que a compõem em função da<br />
carga aplicada. Como a medição da resistência é feita indiretamente a partir da uma<br />
tensão elétrica associada que depende da resistência do extensômetro, a tensão elétrica<br />
de excitação e as propriedades do sistema de aquisição de dados, é necessário um<br />
processo de calibração. Esse processo de calibração consiste em medir a tensão elétrica<br />
para vários valores conhecidos de forca. Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo<br />
adequado para a calibração de células de carga. Para testar o funcionamento do<br />
dispositivo duas células foram calibradas a tração, de 50 e 20 kgf, mostrando a<br />
funcionalidade e eficiência do sistema.<br />
Palavraschave: Célula de carga, calibração, tração, compressão.<br />
Resumen<br />
Las células de carga son los dispositivos más utilizados en la medición de fuerza, eso se<br />
debe a la excelente linearidad que poseen y a su bajo costo. El principio de medición de<br />
estos dispositivos es la variación en la resistencia de las galgas extensométricas (strain<br />
gages) que la componen en función de la carga aplicada. Como la medición de la<br />
resistencia es hecha indirectamente a partir de un voltaje asociado que depende de la<br />
resistencia de las galgas, la tensión eléctrica de excitación y de las propiedades del<br />
sistema de adquisición de datos, se hace necesario un proceso de calibración. Ese<br />
proceso de calibración consiste en medir el voltaje para varios valores conocidos de<br />
fuerza. En este trabajo fue desarrollado un dispositivo adecuado para la calibración de<br />
células da carga. Para testar el funcionamiento, dos células de carga, de 50 y 20 kgf,<br />
fueron calibradas a tracción mostrando la funcionalidad y eficiencia del sistema.<br />
Palavraschave: Célula de carga, calibración, tracción, compresión.<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
As células de carga são dispositivos utilizados para medir força. Estão constituídos<br />
geralmente por 4 extensômetros (strain gages) conectados na configuração de uma ponte<br />
de Wheatstone, como mostrado na figura 1b, e colados numa peça mecânica<br />
especialmente projetada. Em dois terminais elétricos da célula é aplicada uma tensão
IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
elétrica bem regulada, chamada de excitação. Nos outros dois terminais da célula,<br />
chamados de saída, é medida a tensão elétrica que depende da forca aplicada na célula.<br />
A figura 1a mostra uma célula de carga típica usada para medir forças de traçãocompressão<br />
(Beckwith 1990) .<br />
As células de carga apresentam atualmente uma vasta gama de aplicações: em<br />
balanças comerciais, em automatização e controle de processos industriais e numa<br />
grande quantidade de aparelhos de medição. Em particular, em laboratórios que atuam na<br />
área tribológica como o Laboratório de Fenômenos de Superfície da EP<strong>USP</strong>, as células<br />
de carga são utilizadas em equipamentos de medição tais como: máquinas de ensaio de<br />
pino sobre disco, máquinas para ensaio de desgaste abrasivo a quente e de roda de<br />
borracha, entre outras.<br />
A calibração das células de carga é fundamental para obter medições precisas e<br />
confiáveis. Consiste basicamente em medir a tensão elétrica, ou diretamente a<br />
deformação em alguns casos, na célula de carga a valores conhecidos de forca aplicada<br />
(Holman 2000).<br />
O objetivo principal deste trabalho foi construir e testar um dispositivo para calibração<br />
de células de carga.<br />
a) b)<br />
Figura 1. a) célula de carga típica usada para medir cargas de traçãocompressão, b)<br />
esquema elétrico da célula (Aeph do Brasil Indústria e Comercio Ltda.)<br />
2. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS<br />
Na construção do dispositivo de calibração, foram empregados os seguintes<br />
componentes:<br />
1. Tirante: para prender manípulo,(h=520 mm, L=480 mm, esp=25 mm) .<br />
2. Manípulo: para acionar o parafuso roscado.<br />
3. Parafuso roscado, preso à célula de carga(parafuso M12x1.75).<br />
4. Estrutura de aço retangular (680 x 480 x 40 mm, ABNT 1045) .<br />
5. Vibra stop Mac, com as seguintes características:
IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
○ Carga estática por peça de 200 Kg.<br />
○ Carga dinâmica por peça de 800 Kg.<br />
○ Diâmetro externo de 62 mm.<br />
○ Diâmetro da borracha de 52 mm.<br />
○ Altura regulável de 2530 mm.<br />
○ Dureza da borracha de 55 shore A.<br />
○ Deflexão de 2.1 mm/200 kgf;<br />
○ Parafuso de ajuste de ¼” x 2.1 ½”.<br />
6. Mesa de ferro fundido cinzento classe FC20, com rasgo em T<br />
(475 x 310 x 37 mm) (Chiaverini 1981);<br />
7. Chapa de aço, base da mesa (455 x 385 x 15 mm, SAE 4140);<br />
8. Dinamômetro digital e célula de carga do dinamômetro (100 kgf).<br />
Na calibração das células de carga foram empregados os equipamentos descritos a<br />
seguir (figura 2b):<br />
1. Dinamômetro Digital Instrutherm Modelo DD300:<br />
○ Escala 100 kgf/220LB/980 N;<br />
○ Indicação mínima: 0,15kg/0,35LB/1,4N;<br />
○ Precisão +/ 0,5% + 2 dígitos (23+/5ºC)).<br />
Para a construção do dispositivo foram utilizadas as seguintes máquinas operatrizes e<br />
ferramentas<br />
1. Máquinas operatrizes<br />
○ Serra de fita automática, Franho<br />
○ Torno mecânico horizontal, Romi S30<br />
○ Furadeira de bancada, Yadoya FYB25<br />
○ Fresadora, Lagun FTV2<br />
○ As ferramentas utilizadas foram: Jogo de machos de roscar M6, M8, M12<br />
2. Brocas de aço rápido de 6,8 mm; 5,0 mm; 10,30 mm<br />
○ Punção de bico<br />
○ Tinta de traçagem Riscofer<br />
○ Traçador analógicoDigimes<br />
○ Escala ,Esquadro<br />
○ Paquímetro digital de 150 mm<br />
○ Micrômetro digital de 025 mm<br />
○ Fresa de topo de 4 saídas de 10 mm<br />
2.1 Células de carga testadas<br />
As células de carga usadas foram as AEPH TS de 50 e 20 kgf, com as propriedades<br />
mostradas na tabela 1.
IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
Tabela 1. Características fornecidas pelo fabricante das células de carga testadas (Aeph<br />
do Brasil Indústria e Comercio Ltda.)<br />
Célula de carga 20 kgf 50 kgf<br />
Material<br />
Alumínio Anodizado<br />
Sensibilidade 2,0000 mV/V +/ 10%<br />
Não Linearidade<br />
< 0,03% FSO*<br />
Histerese<br />
< 0,03% FSO<br />
Equilíbrio do Zero +/ 1%<br />
Faixa Temperatura Operacional<br />
20ºC a +50ºC<br />
Faixa de Temperatura Nominal<br />
10ºC a +40ºC<br />
Sobrecarga Segura (Sem Ruptura)<br />
150 % FSO<br />
Sobrecarga de Ruptura<br />
300 % FSO<br />
Tensão Recomendada<br />
10 V<br />
Tensão Máxima de Excitação VDC ou VCA<br />
15 V<br />
Resistência Elétrica Entrada<br />
410 W +/ 30 W**<br />
Resistência Elétrica Saída<br />
350 W +/ 3 W<br />
Resistência de Isolação (50 V)<br />
> 2 G W<br />
Grau de Proteção<br />
IP67<br />
Cabo Blindado 4 X 24 AWG<br />
3,0 m<br />
* FSO: Full Scale Output<br />
** W: ohms<br />
Foram utilizadas rótulas RM06 e RM12, acopladas às células de carga de 20 e<br />
50 kg respectivamente, que permitem o alinhamento da força aplicada às célula em modo<br />
tração.<br />
2.2. Aquisição de dados<br />
O sistema de aquisição de dados usado foi o dispositivo CompaqDAQ da National<br />
Instruments, com conectividade USB, e uma placa NI9237, também da National<br />
Instruments, especialmente projetada para esse tipo de sensores. Foi feito um programa<br />
na linguagem C que faz aquisição continua a uma taxa de 1 amostra/s e que fornece um<br />
valor de deformação ( L /L ) direitamente.<br />
3 MÉTODO<br />
3.1 Montagem do dispositivo de calibração<br />
Para a construção do dispositivo de calibração, foram feitos 4 furos passantes de ¼”<br />
na parte inferior de uma estrutura de aço (4) para fixação dos mini vibra stop (5). Na<br />
parte superior, instalouse uma chapa (7) com 4 furos roscados allien M6. Presa à<br />
chapa com 4 parafusos, colocouse uma mesa com rasgo em T (6). Em seguida, passouse<br />
à montagem de um tirante em U(1), fixado à estrutura com os parafusos Allien M8.
IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
Neste processo, foram utilizadas as máquinas operatrizes mencionadas na seção<br />
materiais e equipamentos.<br />
Observese que o dispositivo foi montado de maneira que, se necessário, poderá ser<br />
modificado, já que todas as fixações são feitas com parafusos roscados, exceto às das<br />
estruturas, cujo conjunto foi soldado.<br />
3.2 Calibração à tração<br />
A Figura 2b mostra a montagem realizada para o ensaio de calibração das células de<br />
carga à tração. Inicialmente, a célula de carga do dinamômetro foi sujeita ao parafuso<br />
roscado, e a esta foi pendurada à célula de carga a ser calibrada. Na mesa com rasgo em<br />
T foram montados 2 ganchos presos a um pino, que foi acoplado à parte inferior da célula<br />
de carga a ser calibrada. O objetivo de este pino foi prender a parte inferior da célula a ser<br />
calibrada à mesa, evitando assim o seu deslocamento.<br />
a) b)<br />
Figura 2. a) dispositivo de calibração, b) dispositivo de calibração com a célula de carga<br />
de 50 kgf instalada.
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Acionandose o manípulo, tracionamse as células de carga. O valor de deformação<br />
da célula de carga a ser calibrada é indicado pelo Programa de Aquisição de Dados,<br />
criado pelo Eng. Ediguer Franco, e o valor de carga é indicado pelo dinamômetro. Por<br />
meio deste processo, realizouse a calibração das duas células. Para a célula de 50 kgf<br />
foram realizadas 9 medições, com cargas de 5 em 5 kg aproximadamente.<br />
Quanto à célula de 20kgf, foram 6 medições, para cargas de 4 em 4 Kgf<br />
aproximadamente.<br />
Figura 3. Deformação obtida em função da carga.<br />
4. RESULTADOS<br />
Na Figura 2a pode ser observado o dispositivo de calibração construído. Na Figura<br />
3 são mostrados os resultados de deformação em função da carga aplicada nas duas
IX Encontro de Iniciação Científica do <strong>LFS</strong>, 24 julho de 2008.<br />
células de carga. Pode ser observado, para ambas células de carga, que a relação entre<br />
força aplicada e deformação apresenta um comportamento totalmente linear (R 2 =1) como<br />
era esperado. Portanto, com estes gráficos será possível calcular qualquer carga aplicada<br />
a cada uma das células calibradas medindo o valor de deformação (com ajuda do<br />
programa de computador desenvolvido para esta finalidade).<br />
Durante o ensaio de calibração foi observada uma dificuldade para aplicar um<br />
valor preciso de carga, este problema poderia ser corrigido colocando uma mola entre a<br />
haste do parafuso do manípulo e a célula de carga, embora este fato não influencia nos<br />
resultados, esta modificação poderá ser feita posteriormente para melhorar o dispositivo<br />
construído.<br />
5. CONCLUSÕES<br />
Com o dispositivo construído foi possível realizar calibração de células de carga<br />
submetidas a cargas de tração.<br />
As células de carga calibradas apresentaram uma relação linear entre carga aplicada e<br />
deformação.<br />
Foi possível obter curvas de calibração para as células de carga ensaiadas, o que<br />
permitirá determinar as cargas de tração aplicadas a estas células em ensaios<br />
posteriores.<br />
6. AGRADECIMENTOS<br />
Os autores agradecem à professora Izabel Machado pela ajuda na realização deste<br />
trabalho.<br />
7. REFERÊNCIAS<br />
Beckwith, T.G., Buck, N.L., “Mechanical measurements”, 4th edition, Ed. AddisonWesley<br />
Inc., London, England, 1990.<br />
Holman, J.P., “Experimental methods for engineers", 7th edition, Ed. McGrawHill Science<br />
Engineering, New York, 2000.<br />
Chiaverini, V., ”Aços e Ferros Fundidos”, 4a edição, Ed. Associação Brasileira de Metais<br />
(ABM), S.Paulo, Brazil, 1981.