Extensometria - Transdutores, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Extensometria

Módulo II

TRANSDUTORES QUE

UTILIZAM EXTENSÔMETROS

ELÉTRICOS DE RESISTÊNCIA

COMO ELEMENTO SENSOR.

Euler Barreto Júnior

Este módulo aborda a construção de transdutores que utilizam extensômetros elétricos como elemento sensor. A construção de transdutores requer alguns cuidados para que o seu funcionamento seja estável nas mais variada condições. Um desses cuidados é o correto tratamento térmico a ser dado ao material que será utilizado como elemento elástico. Outro cuidado é a utilização de técnicas de correções efetuadas no circuito elétrico dos extensômetros, para compensação de temperatura, módulo, zero, ganho e impedância.

Para completar a intenção de passar a minha experiência a você que lê esta publicação, estou a sua disposição para esclarecer qualquer dúvida sobre o assunto aqui tratado, através do e-mail [email protected]

FIGURA 1 - TIPOS DE ELEMENTOS ELÁSTICOS PARA TRANSDUTORES

MODELOS DE ELEMENTOS ELÁSTICOS PARA TRANSDUTORES DE CARGA

E PRESSÃO:

Neste módulo iremos tratar apenas dos transdutores mais utilizados comercialmente que são os transdutores de carga e de pressão.

Transdutores de carga:

Basicamente podemos dividir os elementos elásticos dos transdutores de carga, em três classes, de acordo com o tipo de tensão de solicitação a ser medida pelos extensômetros elétricos:

Flexão; Cisalhamento e Deformação direta.

FLEXÃO:

O elemento elástico à flexão é muito utilizado na fabricação de células de carga de baixa capacidade, pois apresenta elevada deformação mesmo com pequenas cargas. Outra vantagem é a de as deformações de tração e compressão ocorridas nos extensômetros serem da mesma grandeza, o que possibilita melhor linearidade na saída do transdutor.

A figura 2 apresenta alguns tipos de elementos elásticos à flexão mais utilizados em células de carga, bem como a localização dos extensômetros e o tipo de deformação atuante em cada extensômetro, tração (T) ou compressão (C), para a direção da carga indicada.

FIGURA 2 - TIPOS DE ELEMENTOS ELÁSTICOS À FLEXÃO

DEFORMAÇÃO DIRETA:

O elemento elástico solicitado à deformação direta é utilizado na fabricação de células de carga de alta capacidade. Este tipo de célula é chamado de célula de coluna, pois o elemento elástico é similar a uma coluna cilíndrica, retangular ou quadrada.

De concepção simples, porém apresenta o inconveniente de ser sensível a cargas excêntricas, e as deformações de tração e compressão que ocorrem nos extensômetros são diferentes, o que acarreta uma não linearidade na saída do transdutor.

FIGURA 4 - TIPOS DE ELEMENTOS SOLICITADOS À DEFORMAÇÃO DIRETA

Transdutores de pressão:

Os elementos para transdutores de pressão podem ser do tipo diafragma, tubo fechado, tubo de Bourdon, fole metálico e outros.

FIGURA 5 - ELEMENTOS ELÁSTICOS PARA TRANSDUTORES DE PRESSÃO

MATERIAIS UTILIZADOS COMO ELEMENTO ELÁSTICO DE

TRANSDUTORES

MATERIAL MÓDULO DE COEFICIENTE DE CLASSIFICAÇÃO ELASTICIDADE EXPANSÃO TÉRMICA kgf/mm² ppm/°C

LIGAS DE ALTO MÓDULO

AÇOS PARA BENEFICIAMENTO

4140 21.000 11,6 Muito bom

4340 21.000 11,3 Excelente*

8640 21.000 11,3 Excelente*

AÇOS INOXIDÁVEIS

410 20.300 9,9 Bom

420 20.300 9,9 Muito bom

**630 19.950 10,8 Excelente ***

631 20.300 10,3 Muito bom

LIGAS DE BAIXO MÓDULO

LIGAS DE ALUMÍNIO

2017(T4) 7.300 23,0 Muito bom

**2024(T8) 7.300 23,2 Excelente ***

7075(T6) 7.300 23,2 Muito bom

*** Estes são os materiais mais utilizados na confecção de elemento elástico.**

TÉCNICAS PARA TÊMPERA E REVENIMENTO

DO ELEMENTO ELÁSTICO.

As melhores características do elemento elástico são obtidas quando este é temperado e revenido.

Normalmente os materiais de alto módulo de elasticidade são fornecidos no estado normalizado, isto é sem tratamento térmico, para que possa ser usinado com facilidade, realizando-se o tratamento térmico posteriormente, na fase final de produção da peça.

A têmpera é um tratamento térmico que consiste no aquecimento da peça a temperaturas pré - estabelecidas seguido de um resfriamento em óleo, água ou ar.

Esse tratamento tem por fim, aumentar grandemente a dureza e seus limites de resistência e escoamento, porém diminui a resiliência, o alongamento e a ductibilidade.

Já o revenimento é um tratamento térmico que consiste no aquecimento da peça já temperada, a temperaturas pré-estabelecidas, restituindo ao material parte das propriedades perdidas pela têmpera melhorando sensivelmente a resistência aos choques mecânicos.

A têmpera e o revenimento deverão obedecer às técnicas indicadas pelo fabricante do material, conforme descrito a seguir:

Ligas de alto módulo de elasticidade:

Aços para beneficiamento:

 ABNT 4140 (VL-40) Características: Aço de média temperabilidade. Boas propriedades mecânicas.

Têmpera: 840°C a 860°C

Meio de Têmpera : Óleo

Revenimento: 400°C a 420°C.

Obs: com a temperatura de revenimento entre 400°C a 420°C, iremos obter uma dureza em torno de 40 a 41 Rc, o que corresponde a um limite de resistência de aproximadamente 120 kgf/mm².

Condicionamento da austenita: Aquecer a 760°C ± 15°C, manter em temperatura durante 90 minutos, resfriar até 15°C ± 3°C dentro do intervalo de 1 hora; manter nessa temperatura durante no mínimo 30 minutos e resfriar ao ar.

Envelhecimento: Aquecer a 565°C ± 5°C, manter em temperatura durante 90 minutos e resfriar ao ar até temperatura ambiente.

Com estes procedimentos iremos obter uma dureza em torno de 38Rc o que nos dá um limite de resistência à tração de aproximadamente 120 kgf/mm².

Obs: O tratamento térmico dos elementos elásticos deverá ser executado de preferência em firmas especializadas existentes no mercado.

Ligas de Baixo Módulo de Elasticidade:

As ligas de baixo módulo de elasticidade são fornecidas já com o tratamento térmico adequado, pois a dureza alcançada pelo material não impede que a peça seja usinada com facilidade.

LIGA DE DURALUMÍNIO AA 2017

No caso da liga de duralumínio AA 2017, o tratamento térmico recomendado é o T (solubilização- temperatura 500°C / precipitação- temperatura ambiente, tempo de envelhecimento 5 dias ). Com este tratamento a dureza será em torno de 110 HB e o limite de resistência à tração será de 38 kgf/mm².

LIGA DE DURALUMÍNIO AA 2024

Para a liga de duralumínio AA 2024, o tratamento térmico recomendado é o T (solubilização, encruamento e envelhecimento artificial). Com este tratamento a dureza será em torno de 120 HB e o limite de resistência à tração será de 45 kgf/mm².

LIGA DE DURALUMÍNIO AA 7075

Já para a liga de duralumínio AA 7075, o tratamento térmico recomendado é o T (solubilização e envelhecimento artificial). Com este tratamento a dureza do material será em torno de 140HB e o limite de resistência à tração será de 55 kgf/mm².

OS EXTENSÔMETROS PARA TRANSDUTORES

Para a escolha correta dos extensômetros elétricos de resistência a serem utilizados em transdutores, devem ser considerados quatro fatores:

 Dimensão do extensômetro ;  Geometria da grade;  Resistência ôhmica dos extensômetros ;  Tipo de extensômetro.

 Dimensão do extensômetro :

A dimensão do extensômetro elétrico de resistência refere-se ao comprimento da grade, que é parte sensível, conforme é mostrado na figura 6.

É a consideração mais importante a ser feita, pois os extensômetros devem ser colados nas regiões de maiores deformações do elemento elástico

FIGURA 6 - DIMENSÃO DO EXTENSÔMETRO.

FIGURA 8 - GEOMETRIA DA GRADE DOS EXTENSÔMETROS

O ELEMENTO ELÁSTICO

DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS ELÁSTICOS

Ao dimensionar um elemento elástico alguns fatores devem ser considerados:

 Capacidade nominal : (refere-se a capacidade máxima de trabalho) O fator de segurança a ser adotado deverá ser próximo de quatro. Então a tensão de trabalho do elemento elástico deverá ser a tensão de ruptura do material utilizado na confecção do elemento elástico dividido por quatro.

 Construção em uma só peça : O elemento elástico deverá ser confeccionado em uma só peça para evitar problemas de histerese e não linearidade.

 Proteção para sobrecarga : O maior problema que ocorre nos transdutores é a sobrecarga. Por isso o transdutor deverá ser projetado para suportar sobrecargas de até 150% da capacidade nominal.

 De fácil usinagem e instalação dos extensômetros : Para reduzir custos o projeto do elemento elástico deverá levar em consideração a facilidade de usinagem e de instalação dos extensômetros , o que torna mais ágil a produção.

 Freqüência natural : Quando o transdutor é utilizado em sistemas de medições dinâmicas é necessário que a freqüência natural do elemento elástico seja bem maior do que a freqüência a ser medida.

 Distribuição uniforme de deformações nos extensômetros : Os extensômetros dos transdutores que podem ser em número de 4, 8,12, ou 16, são associados em circuito de ponte (Wheatstone) completa e é interessante que sofram deformações idênticas , embora de sentido contrário, para se obter uma saída linear.

 Insensível a cargas excêntricas : O transdutor ideal é o que é sensível a forças que atuem somente em um sentido não medindo carregamentos excêntricos.

 Insensível a variações térmicas : O transdutor não deverá sofrer influencias devido à variação de temperatura..

FIGURA 11 - LÂMINA EM FLEXÃO

FIGURA 12 - ANEL DINAMOMÉTRICO.

FIGURA 13 - DIAFRAGMA SOBRE PRESSÃO

FIGURA 14 - TORÇÃO EM ELEMENTO CIRCULAR.