Sensor DE FORÇA and POSIÇÃO

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SENSOR DE FORÇA, CARGA OU PESO Componentes: Daniel Pereira Dos Santos e Robson Francisco de Jesus 4EN

"É surpreendente quantas aplicações requerem medições de peso." - Stefan Schmidt

Isaac Newton

Definições das Variáveis ♣ Massa Quantidade de matéria de um objeto.

♣ Força Ação de um corpo sobre o outro.

♣ Torque Efeito rotacional produzido por uma força.

• Massa

é definida como a quantidade de matéria existente em um corpo no regime do repouso. (Inércia).

Medição de Massa •

Na antiguidade, a massa era medida por comparação por grão de trigo e outros diferentes elementos.

•

Final Século XVIII, padrão provisório denominado “Grave”, mais tarde denominado “Quilograma” representando a massa de um decímetro cúbico de água destilada a 4º C.

Medição de Massa • Massa é considerada uma grandeza fundamental, e seu padrão é

um cilindro de platina-irídio, chamada o quilograma padrão, mantido em Sévres, França.

•

Cópias distribuídas para laboratórios de vários Países.

•

Á cópia brasileira, denominada Protótipo Quilograma Nº 66, é mantida no laboratório de Massa (LAMAS) do Inmetro, órgão responsável pela padronização e calibração do padrão de massa brasileira. Fabricado em liga de platina-irídio pelo BIPM (Escritório Internacional de Pesos e Medidas). Aço.

Curiosidade do Protótipo nº 66 •

Mantido dentro de um Cofre no LAMAS.

•

Calibrado pelo BIPM com o Protótipo Internacional a cada 5 anos.

•

Composição de 90 % Platina e 10 % Irídio.

•

3,917 cm de diâmetro e altura.

Massas OIML (Organização Internacional de Metrologia Legal) •

A OIML R 111 especifica forma, dimensões, valores nominais, natureza do material usado na construção de massas e atribui classes de exatidão: E1, E2, F1, F2, M1, M2, M3.

Massas OIML (Organização Internacional de Metrologia Legal) •

As massas OIML são utilizadas para calibrar e verificar balanças ou para calibrar massas de classe inferior.

Tabela de Pesos da OIML R111 Classe

Classe

Classe

E2

F1

F2

25

80

250

20 kg

10

30

10 kg

5

5 kg

Valor nominal

Classe E1

50 kg

Classe Classe M1

Classe M2

800

2500

8000

25000

100

300

1000

3000

10000

16

50

160

500

1600

5000

25

8,0

25

80

250

800

2500

2 kg

1,0

3,0

10

30

100

300

1000

1 kg

0,5

1,6

5

16

50

160

500

500 g

0,25

0,8

2,5

8,0

25

80

250

Tabela 1 - Erros máximos permitidos ±m em mg

M3

Tabela de Pesos da OIML R111 Classe

Valor nominal

Classe E1

500 g

Classe

Classe

Classe Classe M1

Classe M2

E2

F1

F2

0,25

0,8

2,5

8,0

25

80

250

200 g

0,10

0,3

1,0

3,0

10

30

100

100 g

0,05

0,16

0,5

1,6

5

16

50

50 g

0,03

0,10

0,3

1,0

3,0

10

30

20 g

0,025

0,08

0,25

0,8

2,5

8

25

10 g

0,020

0,06

0,20

0,6

2

6

20

5g

0,016

0,05

0,16

0,5

1,6

5

16

2g

0,012

0,04

0,12

0,4

1,2

4

12

1g

0,010

0,03

0,10

0,3

1,0

3

10

Tabela 2 - Erros máximos permitidos ±m em mg

M3

Tabela de Pesos da OIML R111 Classe

Valor nominal

Classe E1

1g

Classe

Classe

Classe Classe M1

Classe M2

E2

F1

F2

0,010

0,030

0,10

0,3

1,0

3

500 mg

0,008

0,025

0,08

0,25

0,8

2,5

200 mg

0,006

0,020

0,06

0,20

0,6

2,0

100 mg

0,005

0,016

0,05

0,16

0,5

1,6

50 mg

0,004

0,012

0,04

0,12

0,4

20 mg

0,003

0,010

0,03

0,10

0,3

10 mg

0,003

0,008

0,025

0,08

0,25

5 mg

0,003

0,006

0,020

0,06

0,20

2 mg

0,003

0,006

0,020

0,06

0,20

1 mg

0,003

0,006

0,020

0,06

0,20

Tabela 3- Erros máximos permitidos ±m em mg

M3

10

Balanças •

Balanças mecânicas  Balanças analíticas ou balanças de dois pratos  Balanças de um prato

•

Balanças eletrônicas

Balanças Mecânicas - de dois Pratos •

Origem Egito Antigo.

•

Durante 40 séculos se manteve em dois Pratos.

Balanças Mecânicas - de dois Pratos •

Modelo de balança proposta por Sartorius em 1870.

•

Dois pratos ligados a um travessão, suspenso por um cutelo.

•

Processo de equilibrar é lento e tedioso.

•

Forma clássica ao longo do séc. XX.

Exemplos:

Balanças Mecânicas - de um prato

•

Surgimento no mercado em meados de 1946.

•

Praticidade de medição superior em relação a de dois pratos.

•

Fora de uso.

•

Utilizada a muito tempo na indústria e comércios.

Balanças de um prato, diferentes dimensões e faixas de medições.

Dinamômetro de Mola •

Diagrama de Tensão x Deformação e validade da Lei de Hooke

Exemplo:

Dinamômetro

Balança Eletrônica – Célula de Carga

Como funciona uma Célula de carga ?

Principio de funcionamento •

Corpo Metálico: Aproveita-se a deformação de um corpo metálico quando submetido á uma força.

Força

Força

Semdeformação

Comdeformação

Deformação elástica e plástica

Deformação

d

d'

l

l

Figura 2 - Deformação de um fio sob tração.

Extensômetros / Strain - gage • Experimentos com Ferro e Cobre • Resistencia elétrica de ambos mudavam quando deformados. • Primeiros trabalhos com Strain – gage por Thomsom (Lorde Kelvin) – Por volta de 1856.

Princípio do Condutor Elétrico

Características •

Alta precisão de medida;

•

Baixo custo;

•

Excelente linearidade;

•

Excelente resposta dinâmica;

•

Fácil instalação;

•

Realizações de medidas a distância;

•

Resistências 120 , 350 , 500  e1000 .

Princípio de funcionamento •

Variação de resistência do extensômetro com a força de tração ou compressão.

•

Constante de proporcionalidade conhecida como Fator de calibração ( Gage Factor).

•

Varia de 2 a 4 para ligas mais usuais.

Fator de Calibração

Princípio de funcionamento

•

Exemplo: GF = 2, deformação da peça metálica em que o Strain – gage está colado ∆L/L = 0,001 m / m, resistência do extensometro R = 120 Ω.

•

Variação de resistência ∆R = 0,24 Ω.

•

Taxa de resistência ∆R/R = 0,24 / 120 = 0,002 ou 0,2%

Ponte de Wheatstone

Charles Wheatstone XIX

Equilíbrio A configuração abaixo nos mostra uma ponte de Wheatstone e a condição de equilíbrio desta ponte se dá quando temos o mesmo potencial nos pontos A e B.

Para conseguirmos este equilíbrio precisamos satisfazer a seguinte condição

R1* R3  R2* R4 Nesta condição (Figura acima), não teremos corrente circulando de A para B, nem de B para A.

Variação da Resistencia Poderíamos desiquilibrar a ponte colocando uma resistência variável. Desta forma, quanto maior for a variação de R2, maior será a variação entre os produtos conforme figura abaixo.

Na condição (Figura abaixo), se variarmos o valor da resistência R2, estaremos desequilibrando a ponte. Quanto maior a variação, maior será a correntecirculante.

Combinação Eletromecânica Montagem para o resistor “diminuir” o valor (Comprimento) quando a força aumenta. Montagem para o resistor “aumentar” o valor (Comprimento) quando a forçaaumenta.

Comprimento aumentou

Comprimento diminuiu

L

L

Comprimento aumentou

Comprimento diminuiu

L

L

Comprimento Diminuiu

2 Resistores que “Aumentam o valor” e 2 resistores que “Diminuam o valor”.

L L

Ponte Wheanstone + Strain - gage

Variação da tensão pela força aplicada (Proporcional). Sem força aplicada

Sem variação da Tensão

Com força aplicada

Com variação da Tensão

Exemplo de flexão:

Indicador digital conectado a uma célula de carga. Sem Peso

Compeso

Componentes de uma Célula de Carga Compressao

Entrada Celula de Peso Carga Real Primario

Resistencia

Strain Gauge

mV Ponte De Wheanstone

Secundario Condicionamento do Sinal

Sensor Saida

Amplificacao Linearizacao Filtragem

Visualizacao da Variavel

Processamento dos Dados

Processamento Digital de Sinais

Conversor AD

Processamento de Sinal

V

Fator G

Fator G •

https://www.toledobrasil.com.br/fator-g

Calibração Direta massa-padrão

100,000 ± 0,002 g

100,00 comparação

102,40 g

sistema de medição a calibrar

102,40

Calibração de um bloco padrão

Comparação

Zerando

-0,00025 0,000001,23760

BP a calibrar

BP de referência

Comparação Direta

padrão

VVC

comparação sistema de medição a calibrar

ISMC

Rastreabilidade unidades do SI

padrões internacionais padrões nacionais padrões de referência de laboratórios de calibração padrões de referência de laboratórios de ensaios padrões de trabalho de laboratórios de chão de fábrica

Célula de carga - Compressão

Célula de carga - Beam

Célula de carga - Single Point

Célula de carga - Tração

Utilizações com Célula de Carga

Célula de Carga – Balança Caminhões

Embarcada

Balanças ferroviárias / Uso geral

Vídeo a seguir

Nível com célula de Carga

Ponte rolante – Célula de Carga

Manilha com Célula de Carga

Torque

Figura 4. Anéis deslizantes fecham o circuito elétrico para a excitação e o sinal de medição da ponte. [1]

Verificação de torque (Auditoria).

Verificação de torque (Auditoria).

Verificação de torque (Remotamente).

Verificação de torque (Remotamente).

Obrigado !!!!

SENSORES DE POSIÇÃO Componentes: Daniel Pereira Dos Santos e Robson Francisco de Jesus 4EN

Sensores Proximidade / Posição •

Existem quatro tipos principais que são os sensores: indutivos, capacitivos, ópticos e ultrassónico.

•

Encoder

Sensor Indutivo

Oscilador

Sensor Indutivo

Sensor Indutivo

Corrente de Eddy (Foucault) / Parasita

Sensor Indutivo

Fatores de redução para os metais:

Sensor Indutivo - Blindado •

Blindado – Inclui faixa metálica que envolve o conjunto do núcleo de ferro / bobina.

Sensor Indutivo

Sensor Indutivo •

Ø da Bobina

d = Diâmetro da face sensível do sensor. Sn = Distância nominal de detecção.

Distancia sensora nominal (sn)

Sensor Indutivo •

Montagem – Blindado e não Blindado

Cobertura

Bobina Protector

Ferrite

Metal

Metal

Sensor Indutivo – PNP / NPN

Sensor Indutivo – PNP / NPN

Oscillation Amplitude

Sensor output signal

ON OFF

Sensor Indutivo

Sensores Indutivos

Sensor Indutivo

Vantagens e Desvantagens Vantagens •

Não é afetado por poeira ou ambientes que contenham sujeira;

•

Não é prejudicado por umidade;

•

Não possui partes móveis nem contatos mecânicos;

•

Não é dependente da cor do objeto-alvo;

Desvantagens •

Somente detecta objetos metálicos;

•

A distância sensora é menor que em outras tecnologias de sensores de proximidade;

•

Pode ser afetado por fortes campos eletromagnéticos.

Aplicações

Aplicações

Aplicações

 Detectar a posição

Aberta/Fechada de válvulas hidráulicas.

 Detectar a presença

de lata e tampa

Aplicações

Vídeo a seguir !!!

Sensor Capacitivo

Capacitância

Permissividade

Principio

Permissividade de alguns Materiais

Permissividade de alguns Materiais

Influencia do Material r 80

Distância de operação em função da constante dielétrica do material

70 60 50 40 30

20 10 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Distância de operação sr (%)

Capacitivo

Capacitivo

Capacitivo

Blindado x Não Blindado

Capacitivo

Vantagens e Desvantagens •

Vantagens

•

Detecta metais e não-metais, líquidos e sólidos;

•

Pode detectar “através” de certos materiais com densidade menor que o objeto a ser detectado.

•

Dispositivo de estado sólido que tem longa vida útil.

•

Desvantagens

•

Pequena distância sensora (uma polegada ou menos) que varia de acordo com o material a ser detectado;

•

Muito sensível a fatores ambientais (umidade); pode afetar a distância sensora.

Aplicações

Aplicações

Aplicações

Vídeo a seguir !!!

Indutivo x Capacitivo

LVDT

Funcionamento

Vantagens x Desvantagens •

Vantagens

•

Custo baixo

•

Sólido e compacto

•

Linear e Preciso

•

Não possui partes móveis (Não exerce atrito entre as partes móveis)

•

Desvantagens

•

Núcleo deve estar em contato com a superfície que se deseja realizar a medição

•

Interferência campo Magnético externos

•

Condicionamento de Sinal Caro

Aplicações

RVDT

Funcionamento

Funcionamento

Aplicação

Aplicação

Ópticos

Ópticos

Variedade de Luz

Difusão

Difusão

Reflexivos

Óptico de Barreira

Aplicações / Gerais

Aplicações / Gerais

Potenciômetro

Modelos

Aplicação

Ultrassônico

Ultrassónico

Ultrassônico

Aplicações

Aplicações

Sensor magnético

Aplicação

Aplicações

Encoder

Resolução

Encoder

Encoders Absolutos

Aplicações

Obrigado !!!!