Desenvolvimento de ferramenta de colaboração em massa

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1 Desenvolvimento de ferramenta de colaboração em massa
De apoio ao ensino de instrumentação industrial Capítulo 5 – Instrumentos de Grandezas de Força

2 Instrumentos de Grandeza de Força
Força é uma das mais importantes grandezas a ser medida em processos industriais e afins. Muitas vezes a força não é a variável a ser controlada, mas por meio de sua medição é possível estabelecer uma relação entre a força medida e a variável de processo. Costuma-se associar força a movimento, como a ação de puxar ou empurrar alguma coisa , mesmo que correta essa ideia está incompleta. Existem forças que atuam sem que aja movimento, como as forças que agem em um prédio ou uma ponte. Nesse caso dezenas ou centenas forças agem invisivelmente.

3 Instrumentos de Grandeza de Força
O que é Força? Qualquer causa capaz de produzir ou acelerar movimentos, oferecer resistência aos deslocamentos ou determinar deformações dos corpos. Essa é uma boa definição de força, porém existem também muitas expressões matemáticas oriundas de leis físicas que permitem mensurar e definir a unidade de força.

4 Quando medir força? Mede-se força em ensaios de tração, compressão, no intuito de conhecer a qualidade, ou características do material. Em automação, exemplo controle de qualidade ao modelar e montar componentes. Em biomecânica, quando se deseja medir o esforço, e a forma como é realizado, de uma pessoa em determinada tarefa.

5 Pode-se medir força com: Dinamômetros; Ponte extensométrica;
Como medir Força? Pode-se medir força com: Dinamômetros; Ponte extensométrica; Células de carga; Plataformas de força. A Figura 1 ilustra um medidor de força baseado em célula de carga. Figura 1 - Células de carga HBM. (Fonte: catálogo HBM)

6 Dinamômetro A medida da força geralmente é feita por meio de um corpo elástico (no caso do dinamômetro) uma mola, conforme apresentado na Figura 2. Quando uma força de intensidade F é aplicada sobre a mola, ela sofre um alongamento x. Figura 2 – Sistema de molas.

7 Dinamômetro A relação entre a força e deslocamento é dada pela Equação 1: F = k.x (1) Onde: F é a força; k é a constante da mola; x é o deslocamento. Essa Equação é conhecia como lei de Hooke.

8 O dinamômetro, ilustrado na Figura 3, normalmente é constituídos por:
Uma mola; Uma estrutura; Gancho em uma das extremidades; Escala. Figura 3 – Ilustração de um dinamômetro.

9 Dinamômetro Existem também outros tipos de dinamômetros como, por exemplo, os digitais, apresentados na Figura 4, que possuem outro tipo de funcionamento, como uso de células de carga. Figura 4 – inamômetro digital. (Fonte:

10 Introdução a medição extensométrica
Desde a invenção do strain gage (extensômetro), há 60 anos passados, essa tecnologia vem sendo continuamente melhorada. Um tipo comum de extensômetro é mostrado na Figura 5. Uma lâmina metálica resistiva de espessura de alguns micrometros é fixada em um material eletricamente isolado chamado base. Figura 5 – Estrutura interna de um extensômetro.

11 Técnicas de Medição O circuito de entrada da maioria dos instrumentos de medida de deformação, incluem um circuito em ponte, e os ramos da ponte são fornecidos por extensômetros e/ou resistores fixos, com no mínimo um ramo formado por extensômetro. Usualmente, os extensômetros são fabricados para terem uma resistência de 120Ω, mas existem extensômetros disponíveis com resistências de 350Ω, 500Ω, 1000Ω.

12 Técnicas de Medição A função de um circuito em ponte é converter uma pequena variação na resistência, em uma tensão elétrica. O circuito da ponte de Wheatstone é formado por quatro resistores, R1, R2, R3 e R4, como mostrado na Figura 6. Figura 6 – Circuito elétrica da ponte de Wheatstone

13 Tipos de extensômetros
Existem vários tipos de strain gages, a sua aplicação dependerá da necessidade da medição a ser realizada. Entre esses tipos destacam-se: Strain gages lineares; Strain gages duplos; Rosetas de tipo T; Strain gages em forma de V; Rosetas com três grades; Strain gages em ponte completa; Rosetas diafragma; Cadeias de strain gages.

14 Figura 7 - Strain gages série LY da HBM.
Tipos de extensômetros A Figura 7 ilustra Strain gages da série LY da empresa HBM. Figura 7 - Strain gages série LY da HBM.

15 Tipos de extensômetros
A Figura 8 ilustra Rosetas tipo T da série XY da empresa HBM Figura 8 - Rosetas tipo T série XY da HBM.

16 Figura 9 - Rosetas de três eixos série RY da HBM.
Tipos de extensômetros A Figura 9 ilustra Rosetas de três eixos da série RY da empresa HBM. Figura 9 - Rosetas de três eixos série RY da HBM.

17 Figura 10 - Strain gage de ponte completa série VY da HBM.
Tipos de extensômetros A Figura 10 ilustra Strain gage de ponte completa da série VY da empresa HBM. Figura 10 - Strain gage de ponte completa série VY da HBM.

18 Célula de carga Na maioria dos setores onde bens são produzidos, controlados, processados as células de carga podem ser encontradas. Este transdutor está nos mais variados setores como, por exemplo, na indústria de materiais de construção, área médica, na indústria de alimentos e em muitos outros setores. Células de carga utilizam extensômetros e o princípio da lei de Hooke (F=kx). Os extensômetros podem estar ligados em um quarto de ponte, meia ponte, ou ponte completa. Os strain gages são colados num corpo, normalmente, feito em aço ou alumínio para que possam ser medidas as deformações no corpo (célula de carga).

19 Célula de carga Também existem células de carga piezoelétricas, utilizam cristais que sobre a ação de uma força gera uma pequena tensão. A Figura 11 aprensenta exemplos de células de carga piezoelétricas. Essas células de carga são recomendadas para processos altamente dinâmicos, onde há grande variação de força. Figura 11 - Células de força PACEline CFT da empresa HBM

20 Plataformas de força Tem o mesmo princípio de funcionamento das células de carga, porém com algumas diferenças. As plataformas de forças podem medir até três componentes de força. Este tipo de transdutor é, geralmente, constituído por uma placa onde são distribuídas pontes extensométricas em alguns pontos. Normalmente são utilizadas em biomecânica, em análise de marcha, equilíbrio, ergonomia etc.

21 Referência Bibliográfica
[1] [2] [3] [4]

22 Referência Bibliográfica
[5] Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8.ed. São Paulo: Érica, 2011 [6] Gaspar , Alberto. Física volume único. 1. ed. São Paulo: Ática,2006. [7] HALLIDAY, RESNICK, WALKER; Fundamentos da Física, Vol.1, 8ª Edição, LTC, 2009.