automação de dados de medidores de deslocamento e aceleração

i
LEONARDO PINHEIRO ALVES
AUTOMAÇÃO DE DADOS DE MEDIDORES DE
DESLOCAMENTO E ACELERAÇÃO
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia
de Controle e Automação da Universidade Federal
de Ouro Preto como parte dos requisitos para a
obtenção de Grau em Engenharia de Controle e
Automação.
Orientadora: Dra. Arlene Maria Sarmanho Freitas
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Agosto / 2007
ii
iii
Agradecimentos
Agradeço a Deus pela oportunidade. Aos meus Pais e irmão pelo apoio, amor e
dedicação. Aos tios, primos e avós pela torcida.
A UFOP e A&C Jr. pelo aprendizado e aos amigos de turma pela ferração e
amizade.
A Arlene e Ronilson pelos ensinamentos e orientação. Ajuda e colaboração do
João.
iv
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................VI
LISTA DE TABELAS ............................................................................................... VIII
RESUMO ......................................................................................................................IX
ABSTRACT ................................................................................................................... X
I – INTRODUÇÃO......................................................................................................... 1
1.1 – OBJETIVOS .......................................................................................................... 2
1.1.1 – OBJETIVO GERAL ............................................................................................ 2
1.1.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 2
1.2 – METODOLOGIA ADOTADA ............................................................................ 2
1.3 – ESTRUTURA DO TRABALHO ......................................................................... 3
II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 4
2.1 – MEDIÇÕES REALIZADAS NO LABORATÓRIO ......................................... 4
2.1.1 – ENSAIO DE LIGAÇÕES .................................................................................... 4
2.1.2 – ENSAIO DE VIBRAÇÕES ................................................................................. 6
2.2 – EQUIPAMENTOS EXISTENTES NO LABORATÓRIO ............................... 7
2.2.1 – SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS ........................................................ 7
2.2.2 – TRANSDUTORES INDUTIVOS - LVDT........................................................ 10
2.2.3 – CÉLULA DE CARGA E EXTENSÔMETROS ................................................ 15
2.2.4 – ACELERÔMETRO - TRANSDUTORES PIEZOELÉTRICOS ....................... 20
III – EQUIPAMENTOS ESTUDADOS ..................................................................... 26
3.1 – HBM SPIDER 8 ................................................................................................... 26
3.2 – SOFTWARE CATMAN ...................................................................................... 28
3.3 – SENSORES/TRANDUTORES .......................................................................... 29
3.3.1 – LVDT – SENSOTEC ......................................................................................... 29
3.3.2 – ADAPTADORES DE LVDT............................................................................. 30
3.3.3 – CÉLULAS DE CARGA E EXTENSÔMETROS .............................................. 32
3.3.4 – ACELERÔMETRO ........................................................................................... 33
v
IV – PROCEDIMENTOS ............................................................................................ 35
4.1 – CONECTANDO O HBM SPIDER 8 ................................................................. 35
4.2 – CONECTANDO O LVDT .................................................................................. 37
4.3 – CONECTANDO AS CÉLULAS DE CARGA E EXTENSÔMETROS ......... 43
4.4 – CONECTANDO O ACELERÔMETRO .......................................................... 44
4.5 – CONFIGURANDO OS EQUIPAMENTOS NO SOFTWARE CATMAN .... 45
V – RESULTADOS ...................................................................................................... 51
VI – CONCLUSÕES .................................................................................................... 55
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 56
vi
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 – Esquema de medição de rotação em viga. ............................................... 5
FIGURA 2.2 – Foto do ensaio realizado no Laboratório. ................................................ 6
FIGURA 2.3 – Esquema do ensaio realizado no Laboratório. ......................................... 7
FIGURA 2.4 – Estrutura de um sistema de aquisição de dados. ..................................... 9
FIGURA 2.5 - Sinal de saída (EOUT) do LVDT nas diferentes posições do núcleo
ferromagnético (core) ..................................................................................................... 11
FIGURA 2.6 - (A) magnitude do sinal AC de saída do LVDT; (B) Ângulo de fase da
Saída em relação à entrada; (C) Saída DC do condicionador de sinais eletrônico. ....... 12
FIGURA 2.7 - Circuito elétrico de funcionamento de um LVDT ................................. 13
FIGURA 2.8 - Extensômetro ou Strain Gauge .............................................................. 16
FIGURA 2.9 - Ponte de Wheatstone .............................................................................. 18
FIGURA 2.10 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese, repetibilidade e
não linearidade. .............................................................................................................. 19
FIGURA 2.11 - Gráfico de deformação x Tempo mostrando a fluência ou creep. ....... 20
FIGURA 2.12 – Sensor Piezoelétrico: a força aplicada é convertida em tensão. .......... 21
FIGURA 2.13 – Resposta da freqüência de um sensor piezoelétrico. ........................... 22
FIGURA 2.14 - Gráfico da Força x Tempo e Sinal de Saída x Tempo. ........................ 23
FIGURA 2.15 - Esquema do Acelerômetro capacitivo.................................................. 24
FIGURA 2.16 – Modos de obtenção de deslocamento, velocidade e aceleração. ......... 25
FIGURA 3.1 – HBM – Spider 8 conectado ao Laptop. ................................................. 26
FIGURA 3.2 – Vista da arquitetura do Spider 8 ............................................................ 28
FIGURA 3.3 – LVDT’s da Sensotec, Modelos ML7A e MVL7. .................................. 30
FIGURA 3.4 – 1601 LVDT Adapter. ............................................................................ 30
FIGURA 3.5 – Foto do circuito do MCS0698 ............................................................... 31
FIGURA 3.7 – (A) Porta mini-dim do MCS0698; (B) Conector parafusado de 4 vias. 32
FIGURA 3.8 – Foto da Célula de Carga. ....................................................................... 32
FIGURA 3.9 – Acelerômetro ASW-SA. ........................................................................ 34
FIGURA 4.1 – Foto traseira do HBM Spider 8. ............................................................ 35
FIGURA 4.2 – Portas do HBM Spider 8. ...................................................................... 36
FIGURA 4.3 – Portas do HBM Spider 8. ...................................................................... 37
FIGURA 4.4 – Foto da caixa condicionadora de sinais do LVDT. ............................... 38
FIGURA 4.5 – Foto da fonte de alimentação e amplificador do LVDT. ....................... 38
vii
FIGURA 4.6 – Conexão para transdutores indutivos (LVDT) em meia ponte. ............. 39
FIGURA 4.7 – Ligação do LVDT ao Spider 8. ............................................................. 40
FIGURA 4.8 – Conexão para transdutores indutivos (LVDT) em ponte completa. ...... 41
FIGURA 4.9 – Conexão para medir tensão de até 10 V. ............................................... 42
FIGURA 4.10 – Conexão para o LVDT no MCS0698. ................................................. 42
FIGURA 4.11 – Conexão do MCS0698 ao HBM Spider 8 e a Fonte de Alimentação. 43
FIGURA 4.12 – Conexão para S/G (Strain Gauge) em ponte completa. ...................... 44
FIGURA 4.13 – Ligação do Acelerômetro ao HBM Spider 8. ...................................... 45
FIGURA 4.14 – Tela de configuração de Hardware do Catman. .................................. 46
FIGURA 4.15 – Tela de configuração dos sensores/transdutores. ................................ 47
FIGURA 4.16 – Telas de calibração. ............................................................................. 48
FIGURA 4.17 – Telas de calibração. ............................................................................. 48
FIGURA 4.18 – (A) Foto dos Pesos Padrões; (B) Foto do calibrador de LVDT. ......... 49
FIGURA 4.19 – (A) Tela dos dados adiquiridos pelo Spider 8. .................................... 50
FIGURA 5.1 – Foto do sistema de aquisição de dados utilizado no Laboratório. ......... 51
FIGURA 5.2 – Foto dos LVDT’s................................................................................... 52
FIGURA 5.3 – (A) Foto do Extensômetro; (B) Foto da Célula de Carga. ..................... 52
FIGURA 5.4 – Foto do ensaio realizado. ....................................................................... 53
FIGURA 5.5 – Gráfico dos resultados obtidos no ensaio teste para o Extensômetro X
Célula de Carga e para o LVDT 2,0” X Célula de Carga .............................................. 54
viii
LISTA DE TABELAS
TABELA 5.1 – CONFIGURAÇÕES UTILIZADAS NO ENSAIO TESTE ................ 52
TABELA 5.2 – RESULTADO DAS MEDIÇÕES DO ENSAIO TESTE .................... 54
ix
RESUMO
O Laboratório de Estruturas Prof. Altamiro Tibiriçá Dias do Departamento de
Engenharia Civil da Escola de Minas – UFOP, conta com uma nova infra-estrutura,
física e de equipamentos que possibilitam ensaios reduzidos e em escala real, tanto por
empresas da área de construção civil, como parte integrante de dissertações de
mestrado e teses de doutorado do PROPEC (Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil). Com as novas instalações e equipamentos surgiu a necessidade de
adequar os sistemas de aquisição automática de dados para uma maior confiabilidade
dos mesmos e modernização do Laboratório. O sistema utilizado é o HBM Spider 8 e
Catman é o seu respectivo software. Este sistema está em uso no Laboratório, mas o
acoplamento com os sensores e transdutores utiliza diversos outros equipamentos
adicionais (amplificadores e condicionadores) incompatíveis com a tecnologia
disponível por meio do Spider 8, gerando inclusive limitações como: precisão da
aquisição de dados e quantidade de sensores/transdutores medidos simultaneamente.
Assim, neste trabalho para conectar os sensores/transdutores diretamente no Spider 8,
produzi-se um sistema automatizado com flexibilidade e precisão. Para melhor
entendimento do trabalho desenvolvido e considerando a multidisciplinaridade do
mesmo são apresentadas informações técnicas sobre o sistema de aquisição de dados e
os dispositivos utilizados nos ensaios estáticos e dinâmicos de estruturas reais. O
sistema, que se encontra em funcionamento, auxilia no registro e tratamento das
informações obtidas nos experimentos realizados, aumentando assim a veracidade dos
dados obtidos.
Palavras-chave: Sistema de aquisição de dados, HBM Spider 8, Catman, LVDT,
Extensômetro e Acelerômetro.
x
ABSTRACT
The Laboratory of Structure Prof. Altamiro Tibiriçá Dias of Civil Enginnering
Department of Escola de Minas – UFOP has got a new infrastructure, fisical and
equipaments with permit reduct and real scale tests, for companies of civil construction,
with an integral part of dissertations of Master's degree and in PhD theory of PROPEC
(Pós-graduation program in Civil Enginnering). With the new intalations and
equipaments begins the necessity to adapt the automatic data loggers system, for a great
reliability in the system and modernization of the laboratory. The system used is the
HBM Spider 8 and Catman is your respective software. This system is now in use at the
Laboratory, but the connection with the sensor/transducers uses several additional
equipaments (Amplifiers and Conditioners) incompatible with the available tecnology
through Spider 8, which is producing limitation like: precision of the data acquisition
and quantity of sensors/tranducers simultaneously mensured. So, in this work to
connect the sensor/transducers directly in the Spider 8, to make a automatized system
with flexibility and accuracy. For a better understanding of the desenvolved work and
considering that is a multi discipline, are presented technique information about this
data logger and the devices utilized in the static and dynamic structural tests. The
system, that is functioning, assists on the registration of information and treatment of
realized experiments, increasing the truthfulness of acquired data.
Key-words: Data loggers, HBM Spider 8, Catman, LVDT, Strain Gauge, and
Acceleration meter.
1
I – INTRODUÇÃO
Os ensaios de resistência do comportamento em estruturas edificações na
engenharia civil são de fundamental importância para garantir a segurança e
exeqüibilidade associada à economia e a evolução tecnológica. Estes ensaios em muitas
ocasiões medem parâmetros como deslocamentos lineares e angulares, aceleração,
deformações específicas e cargas. E para que se consiga obter resultados confiáveis são
necessários equipamentos de medição (sensores) e sistemas de aquisição de dados (do
inglês: data loggers) sensíveis e de alta precisão.
Hoje o Laboratório de Estrutura Professor Altamiro Tibiriça Dias do
Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de
Ouro Preto – UFOP, chamado de Laboratório, conta com uma nova infra-estrutura onde
empresas da área de construção civil realizam diversos tipos de ensaios. As novas
instalações e a aquisição de equipamentos eletrônicos, associados à evolução
computacional, propiciaram maior precisão e confiabilidade nas aquisições de dados.
O sistema de aquisição de dados estudado é o SPIDER 8 da HBM, o qual se
pode verificar é muito robusto o que é adequado para trabalhos de campo e aos usos do
Laboratório atendendo assim as mais diferentes finalidades. O Spider 8 é um sistema
multicanal digital universal. O conceito do mesmo oferece-lhe uma alternativa simples
e econômica aos cartões/placas plug-in A/D. Seu ponto de forte é a simplicidade e
rapidez da aplicação. O software utilizado por este sistema é o Catman, que possibilita
a leitura e tratamento de sinais de sensores/transdutores usuais utilizados no
Laboratório como: acelerômetro, células de carga, extensômetros e LVDT’s (Linear
Variable Differential Transformer), também chamados de medidores de deslocamento.
2
1.1 – Objetivos
1.1.1 – Objetivo Geral
Acoplar o sistema de aquisição de dados e os medidores de deslocamento e
aceleração para ensaios estáticos e dinâmicos de estruturas reais utilizados na
construção civil, modernizando o Laboratório e aumentando a confiabilidade dos
ensaios realizados no mesmo.
1.1.2 – Objetivos Específicos
Como objetivos específicos têm-se:
•
Acoplar os LVDT’s ao Spider 8 sem a utilização de condicionadores e
amplificadores externos;
•
Acoplar os LVDT’s com diversos rangers diferentes ao Spider 8;
•
Acoplar os acelerômetros ao Spider 8;
•
Avaliar a confiabilidade do sistema na utilização de todos os sensores/transdutores
do Laboratório simultaneamente.
1.2 – Metodologia Adotada
Para a realização dos objetivos propostos foram utilizados o sistema de
aquisição de dados HBM Spider 8, conversores A/D, conversores de sinais e
sensores/trandutores de deslocamento (LVDT), aceleração e força.
3
1.3 – Estrutura do Trabalho
Para uma melhor compreensão e organização este trabalho foi dividido em sete
capítulos: Introdução, Revisão Bibliográfica, Equipamentos Estudados, Procedimentos,
Resultados, Conclusões e Referências Bibliográficas.
No capítulo dois, Revisão Bibliográfica é realizado uma breve explanação nos
conceitos e informações úteis para o entendimento do trabalho.
Os capítulos três são apresentados os Equipamentos Estudados do Laboratório,
como o HBM SPIDER 8 e seu software Catman. Também são apresentados os
sensores/transdutores utilizados nos ensaios, sendo os principais: os LVDT’s, os
Acelerômetros, os Extensômetros e as Células de Carga, sendo os dois primeiros o
objetivo principal do trabalho.
No capítulo quarto mostra-se como foi a conducão do trabalho, além da
sistemática necessária e precauções utilizadas para o bom funcionamento de todos os
equipamentos.
No quinto capítulo são apresentados os resultados obtidos, no sexto as
conclusões, e as referências bibliográficas no último capítulo.
4
II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo faz-se realizada uma revisão dos conceitos envolvidos neste
trabalho com a finalidade de dar embasamento teórico para a compreensão,
desenvolvimento e instalação dos equipamentos utilizados.
2.1 – Medições realizadas no Laboratório
No Laboratório de Estruturas diversos ensaios podem ser realizados com a
finalidade de determinar parâmetros importantes de avaliação da resistência de
elementos e estruturas, bem como seu comportamento frente às solicitações
(carregamentos) pré-definidos.
Entre estes ensaios que são objeto de pesquisa para Dissertações de Mestrado e
Teses de Doutorado, além das consultorias realizadas no Laboratório, podem se
destacar dois trabalhos recentes que serão apresentadas a seguir como ilustração das
possibilidades existentes através dos equipamentos que o Laboratório possui.
Ressalta-se que as atividades do Laboratório estão relacionadas às pesquisas do
PROPEC que analisa principalmente o uso e aplicação do aço na Construção Civil.
2.1.1 – Ensaio de Ligações
As Ligações na Construção Civil com estruturas em aço são objeto de diversas
pesquisas no mundo. O objetivo destas pesquisas é desenvolver procedimentos técnicos
que considerem as reais condições de apoio dos elementos estruturais que compõem
uma edificação, ou seja, ligações entre vigas e colunas.
5
Assim, no caso de desenvolvimento de ligações parafusadas de uma edificação
de 3 andares em perfis de aço formado a frio (chapa dobrada) com três milímetros de
espessura, foram realizadas dissertações de Mestrado para avaliar a capacidade de
rotação da ligação. Está rotação é medida a partir do traçado de uma curva cujos pontos
são obtidos através de medições de deslocamento, usando-se os LVDT´s, para cada
carregamento aplicado por atuadores e medido através de células de carga. Na figura a
seguir ilustram-se a curva a ser obtida e um esquema geral de medição da rotação da
ligação e do ensaio.
FIGURA 2.1 – Esquema de medição de rotação em viga.
Na figura 2.2 tem-se uma foto de um dos ensaios realizados e a indicação dos
diversos sensores/transdutores utilizados na medição da rotação, carga e deformação.
Os principais sensores/transdutores utilizados são:
•
Células de Carga – medição da força/carregamento;
•
LVDT’s (Linear Variable Differential Transducer) – medição de deslocamento
linear;
•
EER (Extensômetros elétricos de resistência) – medição de deformação específica;
•
Defletômetros Mecânicos – medição de deslocamentos lineares.
6
FIGURA 2.2 – Foto do ensaio realizado no Laboratório.
2.1.2 – Ensaio de Vibrações
Como relatado anteriormente o Laboratório realiza principalmente ensaios em
estruturas de aço que tem em algumas situações no comportamento dinâmico, devido à
sua alta transmissibilidade, este material, o aço fica mais suscetível a carregamentos
dinâmicos, e suas freqüências naturais passam a ficar cada vez mais próximas da
freqüência de excitação.
Os resultados são elevados níveis de vibração os quais podem comprometer a
segurança estrutural e na maioria das vezes podem causar alteração no conforto dos
usuários destas edificações ou estruturas.
Então com o crescimento da utilização de estruturas metálicas, os problemas
relacionados ao conforto humano quanto à vibração em ambientes tem ganhado
importância nos meios acadêmicos. Por isso vários estudos e ensaios estão sendo
realizados nesta área.
O objetivo destes estudos no Laboratório é avaliar a influência da vibração
sobre a percepção e conforto humano (figura 2.3). Deste modo, os limites de percepção
à vibração e os níveis que causam desconforto às pessoas são medidos.
7
FIGURA 2.3 – Esquema do ensaio realizado no Laboratório.
2.2 – Equipamentos Existentes no Laboratório
Os sistemas de aquisição de dados e os sensores/transdutores que o Laboratório
possui, que são utilizados nos ensaios, serão descritos a seguir suas características e
princípios de funcionamento.
2.2.1 – Sistemas de aquisição de dados
Os sistemas de aquisição de dados são registradores eletro-eletrônicos para
monitoramento e registro de diferentes tipos de variáveis. Os dados obtidos são
armazenados em bancos de dados e podem ser transferidos para computadores.
Entretanto, muitos sinais reais (temperatura, pressão, fluxo, velocidade,
deslocamento) não podem ser lidos diretamente pelos microcomputadores, e aí que
entram os sistemas de aquisição de dados. Eles são integrados com computadores para
8
se utilizar todos os recursos disponíveis por ambos os equipamentos, conseguindo
assim maximizar e otimizar as vantagens de sua utilização.
Assim, um sistema de aquisição de dados é qualquer dispositivo que pode ser
usado para guardar informações. Isso inclui muitos equipamentos de aquisição de dados
como simples placas de circuitos eletro-eletrônicos, a sistemas de comunicação serial
os quais usam um computador como um sistema de armazenamento de informações em
tempo real. Porém, a maioria dos fabricantes desses tipos de sistemas considera que o
mesmo é um equipamento que pode ler vários tipos de sinais elétricos e armazenar as
informações na memória interna, até a transferência para o computador.
Estes sistemas são essencialmente digitais que dependem de um condicionador
de sinais para a adequação dos sinais analógicos e de um conversor analógico/digital
(A/D). Posteriormente estes sinais, agora digitais, são processados por um
microprocessador, de forma a serem armazenados em algum tipo de memória de
armazenagem, como unidades de discos rígidos, ou ainda, serem enviados para algum
periférico, como impressoras e monitores.
As vantagens dos sistemas de aquisição de dados é que eles podem operar
independentemente de um computador, diferentemente de vários outros tipos de
equipamentos, são disponíveis em vários tipos e tamanhos. Esta variedade inclui
simples equipamentos de canais com funções fixas até equipamentos robustos e
programáveis capazes de trabalhar com centenas de entradas. Também é valido
salientar que com os computadores, a variedade de recursos é maior e mais complexa.
Durante a escolha de um sistema de aquisição de dados alguns parâmetros
devem ser observados como:
•
Tipo de sinal de entrada;
•
Número de entradas necessárias;
•
Tamanho do equipamento;
•
Velocidade e Memória;
•
Tempo de operação em tempo real.
9
A estrutura de um sistema de aquisição de dados pode ser dividida em duas
partes, sendo elas o Software e o Hardware, sendo que a última se divide em três:
Sensor/Transdutor, Condicionador de Sinais, Conversor A/D e Controle, conforme
mostrado na figura 2.4.
FIGURA 2.4 – Estrutura de um sistema de aquisição de dados.
Sensores – são os elementos que captam as variações físicas.
Trandutores – transforam uma variação física em sinais elétricos.
Condicionador de sinais – são circuitos eletrônicos cuja finalidade é adequar os
sinais analógicos para a conversão digital. Seus principais componentes são os
amplificadores, filtros e isoladores.
Conversor A/D e controles associados – é o elemento responsável por traduzir
uma grandeza elétrica em uma representação numérica adequada ao tratamento digital
do sinal adquirido.
Programa Computacional - controla o sistema, permitindo ao usuário
parametrizar, comandar, e monitorar o processo de aquisição. Ele armazena os sinais
captados na forma de arquivos, que podem ser consultados posteriormente e
possibilitam a visualização e edição dos dados adquiridos, bem como a geração de
relatórios e outros.
10
2.2.2 – Transdutores Indutivos - LVDT
O LVDT é um dispositivo eletromecânico que produz uma tensão de saída
proporcional à posição de um núcleo móvel, ou seja, um sensor para medição de
deslocamento linear. O funcionamento dele é baseado em três bobinas e um núcleo
cilíndrico de material ferromagnético de alta permeabilidade. Ele dá como saída um
sinal linear, proporcional ao deslocamento do núcleo, que está fixado ou em contato
com o que se deseja medir.
A bobina central é chamada de primária e as demais são chamadas de
secundárias. O núcleo é preso no objeto cujo deslocamento deseja-se medir e a
movimentação dele em relação às bobinas é o que permite esta medição.
Para esta medição, uma corrente alternada é aplicada na bobina primária,
fazendo com que uma tensão seja induzida em cada bobina secundária
proporcionalmente à indutância mútua com a bobina primária. A freqüência da corrente
alternada está geralmente entre 1 e 10 kHz.
De acordo com a movimentação do núcleo, estas indutâncias mútuas mudam,
fazendo com que as tensões nas bobinas secundárias também mudem. Como as bobinas
são conectadas em série reversas, a tensão de saída é a diferença entre as duas tensões
secundárias. Quando o núcleo está na posição central, eqüidistante em relação às duas
bobinas secundárias, tensões de mesma amplitude, porém opostas, são induzidas nestas
duas bobinas e a tensão de saída é zero.
Quando o núcleo é movimentado em uma direção a tensão em uma das bobinas
secundárias aumenta enquanto a outra diminui, fazendo com que a tensão aumente de
zero para um máximo. Esta tensão está em fase com a tensão primária. Quando o
núcleo se move em outra direção, a tensão de saída também aumenta de zero para um
máximo, mas sua fase é oposta à fase primária. A amplitude da tensão de saída é
proporcional a distância movida pelo núcleo (até o seu limite de curso), sendo por isso
a denominação "linear" para o sensor. Assim, a fase da tensão indica a direção do
deslocamento.
Como o núcleo não entra em contato com o interior do tubo, ele pode mover-se
livremente, quase sem atrito, fazendo do LVDT um dispositivo de alta confiabilidade.
11
Além disso, a ausência de contatos deslizantes ou girantes permite que o LVDT esteja
completamente selado das condições do ambiente.
A figura 2.5 ilustra-se o que acontece quando o núcleo do LVDT está em
diferentes posições axiais. A bobina primária do LVDT, P, é energizada com uma fonte
AC constante. O fluxo magnético resultante é induzido pelo núcleo de ferromagnético
(core) às bobinas secundárias S1 e S2. Se o núcleo está localizado entre as bobinas S1 e
S2, fluxos magnéticos iguais são induzidos a cada uma, então as voltagens E1 e E2, que
induzem as bobinas secundárias são iguais. Este ponto de referência da posição do
núcleo é conhecido como null point (ponto nulo), onde a diferença de potencial da
saída, (E1-E2), é essencialmente zero. Como mostrado na figura 2.4, se o núcleo se
mover na direção de S1, mais fluxo magnético é induzido em S1, então a indução de
voltagem E1 é incrementada enquanto E2 é decrementada, resultando na diferença de
potencial (E1-E2). Da mesma forma, se o núcleo se mover na direção de S2, mais fluxo
magnético é induzido em S2, então é incrementado E2 e E1 é decrementado, resultando
na diferença de potencial (E2-E1).
FIGURA 2.5 - Sinal de saída (EOUT) do LVDT nas diferentes posições do núcleo ferromagnético (core)
Fonte: MACROSENSORS.
Na figura 2.6(a) mostra-se como a magnitude das diferenças de potencial de
saída, EOUT, varia com a posição do núcleo. O valor de EOUT máximo depende da
distância do núcleo ao do ponto nulo, além da amplitude da excitação da bobina
primária e do fator de sensibilidade particular do LVDT, que é tipicamente em volts
RMS.
12
O ângulo de fase desta saída AC, EOUT, que tem como referencia a excitação
primária, permanece constante até que o centro do núcleo passe o ponto nulo, onde o
ângulo de fase muda brutalmente de 180 graus, como mostrado na figura 2.6(b). Este
180 graus de defasagem pode ser usado para determinar a direção do núcleo
ferromagnético em relação ao ponto nulo por um circuito apropriado.
Isto é mostrado na figura 2.6(c), onde a polaridade do sinal de saída representa o
posicionamento do núcleo em relação ao ponto nulo. A figura mostra ainda que a saída
do LVDT seja consideravelmente linear sobre seu faixa de atuação do núcleo, mas o
mesmo pode ser usado em uma faixa maior que a projetada com um pouco redução na
linearidade da saída.
FIGURA 2.6 - (A) magnitude do sinal AC de saída do LVDT; (B) Ângulo de fase da Saída em relação à
entrada; (C) Saída DC do condicionador de sinais eletrônico.
Fonte: MACROSENSORS.
13
As características da saída do LVDT variam com as diferentes posições do
núcleo. A faixa de atuação é extensa, tipicamente um volt ou mais, e geralmente não
requer amplificação. Note que o LVDT continua a operar após 100% de sua faixa de
trabalho, porém com redução na sua linearidade.
A história mostra que os primeiros Transdutores Diferenciais surgiram no
começo do século passado, sendo utilizados para controle de potência AC de motores e
geradores. Em meados de 1930, os transdutores diferencias começaram a ser usados em
processos telemétricos em equipamentos de análises químicas, tornando-se dispositivos
lineares.
A representação elétrica de um LVDT está representada na figura 2.7.
FIGURA 2.7 - Circuito elétrico de funcionamento de um LVDT
Fonte: MACROSENSORS.
Na segunda guerra mundial o LVDT era usado para indicar posição nula em
aviões, torpedos, máquinas industriais e outros equipamentos específicos. O uso do
LVDT foi difundido por Herman Shaevitz .
O sensor LVDT é composto pelos seguintes elementos:
•
Bobina excitadora ou primária;
•
2 bobinas secundárias;
•
Núcleo ferromagnético móvel;
14
•
Eixo não-ferromagnético acoplado ao núcleo;
•
Estrutura isolante para as bobinas;
•
Carcaça metálica para blindagem e prover resistência mecânica.
Os Conceitos Básicos, ou equações de entrada/saída do LVDT são dadas por:
•
Tensão no Primário:
o
•
Ei = K i * sen(wt )
(1)
Tensão no Secundário:
o
EO1 = k1 * sen(wt − f )
(2)
o
EO 2 = k 2 * sen(wt − f )
(3)
o
EO = (k1 − k 2 ) * sen(wt − f )
(4)
As principais características dos LVDT são:
•
Operação com baixa fricção;
•
Resolução analógica infinita;
•
Vida mecânica ilimitada;
•
Resistente a condições mecânicas de transporte;
•
Sensibilidade em apenas um eixo;
•
Núcleo separado das bobinas;
•
Isolação de entrada e saída;
•
Robustez com o meio de trabalho;
•
Repetibilidade de posição nula;
•
Resposta dinâmica rápida.
15
Os medidores de deslocamento podem ser de dois tipos:
•
LVDT DC: A entrada é unicamente de alimentação contínua e a saída fornece um
sinal analógico ou digital correspondente à posição do núcleo.
•
LVDT AC: A entrada é um sinal senoidal alternado e as saídas correspondem ao
mesmo tipo de sinal, porém com amplitudes diferentes.
Hoje em dia os LVDT’s são utilizados nas mais diversas áreas de aplicação e
diferentes equipamentos, por exemplo:
•
Aviões (Sensores de partes mecânicas);
•
Submarinos / Navios;
•
Naves espaciais;
•
Laboratórios Espaciais;
•
Reatores Nucleares;
•
Medições Industriais;
•
Laboratórios e Indústria Química.
2.2.3 – Célula de Carga e Extensômetros
O uso de células de carga como transdutores de medição de força abrangem
hoje uma vasta gama de aplicações: desde nas balanças comerciais até na
automatização e controle de processos industriais. A popularização do seu uso decorre
do fato que a variável peso é interveniente em grande parte das transações comerciais e
de medição das mais freqüentes dentre as grandezas físicas de processo. Associa-se, no
caso particular do Brasil, a circunstância que a tecnologia de sua fabricação, que antes
era restrita a nações mais desenvolvidas, é hoje amplamente dominada pelo nosso País,
que desponta como exportador importante no mercado internacional.
16
O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da
resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gauge (figura 2.8)
quando submetido a uma deformação.
Os strain gauges metálicos ou semicondutores baseiam-se na variação da
resistência de um fio (ou filme depositado sobre uma superfície fina) ou ainda de um
semicondutor (silício ou germânio). Sabemos que a resistência elétrica pode ser
definida pela expressão (equação 1).
ρ *L
R=

 A 
(1)
Onde: ρ = resistividade do material; L = comprimento do fio; A = área da
seção transversal do fio.
FIGURA 2.8 - Extensômetro ou Strain Gauge
Fonte: Wikipedia.
Kelvin (1856), utilizando um galvanômetro e uma ponte de Wheatstone,
demonstrou que a variação relativa da resistência elétrica ∆R
R
de um fio metálico de
comprimento L é linear, se uma deformação ∆L ocorrer na região elástica do material,
portanto (equação 2):
K=
(∆R R )
(∆L L )
(2)
O strain gauge metálico é um resistor elétrico onde a variação da resistência
elétrica é proporcional à variação do comprimento. É projetado para ser facilmente
17
aderido às superfícies sólidas, sempre na direção principal do esforço, caracterizando-se
aí a necessidade de se ter conhecimento sobre análise de tensões (mecânicas) para sua
aplicação adequada. Para pequenos deslocamentos, onde o limite de elasticidade do
material do extensômetro não foi excedido, onde a deformação é diretamente
proporcional a tensão aplicada.
A expressão geral que define a sensibilidade K (gauge factor) de um strain
gauge é deduzida supondo-se um fio de comprimento L e diâmetro D pela expressão
(equação 3):
R = R (ρ , L, D ) =
4*L*ρ
π * D2
(3)
Os strain gauges devem ter tamanho reduzido para captar deformações no ponto
de máxima concentração de tensões; possuir rigidez que não interfira (reforço ou
amortecimento) na peça onde for aderido; apresentar linearidade, estabilidade,
repetibilidade e reprodutibilidade, ser insensíveis a variações ambientais, ter reduzida
sensibilidade transversal, possuir capacidade de medidas estáticas e dinâmicas;
apresentar baixo custo e alta velocidade de resposta.
Atualmente são produzidos também strain gauges de materiais semicondutores,
fabricados basicamente de silício e em casos especiais de germânio. A variação da
resistência é de 50 a 80 vezes maior que a dos metais. O grande problema dos
semicondutores é a não linearidade devido à alta sensibilidade à variação de
temperatura. São produzidos a partir de cristais de silício de alta pureza, dopados
artificialmente. A sensibilidade depende da dopagem, densidade, orientação dos cristais
e do processo de fabricação.
Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si
segundo a ponte de Wheatstone (figura 2.9) e o desbalanceamento da mesma, em
virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É
através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada. Os
extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre-berílio),
denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua deformação.
A força atua, portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua deformação é
transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade. A deformação
18
e pode ser determinada pela variação da resistência do strain gauge. O fator de
sensibilidade K e a resistência R são fornecidos pelos fabricantes necessitando apenas
medir-se a variação da resistência elétrica do strain gauge. É freqüente medir variações
com resoluções da ordem de 0,001W.
FIGURA 2.9 - Ponte de Wheatstone
Fonte: Tavares, Eduardo Costa,
Esse circuito possui onde os quatro resistores R1, R2, R3, R4 ligados de modo a
formar os lados de um circuito onde é aplicada uma tensão V em dois vértices opostos
A e C, gerando uma corrente I no circuito. Nos outros dois vértices B e D é instalado
um galvanômetro, que acusa a passagem de corrente.
Existem várias combinações que podem ser feitas entre os extensômetros de
uma ponte, tornando-os ativos ou não, atuando no sentido da deformação ou oposto a
ela ou mesmo perpendicular à deformação. Por exemplo:
•
Circuito em 1/4 de ponte consiste em substituir um dos resistores da ponte por um
extensômetro dito “ativo”. Na prática, o que se faz é utilizar quatro extensômetros
de mesmo valor de resistência nominal, sendo que apenas um deles é ativo e os
outros três atuam como resistores;
•
Os circuitos de 1/2 ponte apresentam dois extensômetros ativos R1 e R4 ou R2 e
R3;
•
Nos circuitos de ponte completa, os quatros extensômetros são ativos. A
intensidade do sinal de saída é dada pela relação da tensão de leitura e a de
19
alimentação, e depende do tipo de ponte que foi adotada. É importante que o
instrumento de leitura esteja adequado à intensidade do sinal de saída.
Obviamente que a forma e as características do corpo da célula de carga devem
ser objetos de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto, quanto na sua execução e
calibração. Visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a
intensidade da força atuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja
preservada tanto no ciclo inicial de carregamento quanto nos ciclos subseqüentes,
independentemente das condições ambientais.
A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos resultados
(figura 2.9). Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e
que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida,
há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no
circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma
inversa a dos extensômetros.
Um efeito normalmente presente ao ciclo de carregamento e que deve ser
controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o
da "histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada
pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam
com as descargas respectivas (figura 2.10).
FIGURA 2.10 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese, repetibilidade e não linearidade.
Fonte: Células de carga
20
Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade", ou seja,
indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga
sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais
isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga. Finalmente, deve-se
considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consiste na variação da deformação
ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos
entre as faces da estrutura cristalina do material e apresentam-se como variações
aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma (figura 2.11).
FIGURA 2.11 - Gráfico de deformação x Tempo mostrando a fluência ou creep.
Fonte: Células de carga
2.2.4 – Acelerômetro - Transdutores Piezoelétricos
O efeito piezoelétrico foi descoberto por Piere e Curie (1880). A palavra
“piezo” vem do grego, que significa “aperto”, indicando que esse aperto gera
eletricidade. Podem ser feitos de quartzo, cristais policristalinos ou cerâmicas.
Os sensores piezoelétricos são utilizados para medir deslocamentos dinâmicos
(como a passagem de um automóvel) ou deslocamentos de fluidos e gravar sons do
coração. Materiais piezelétricos geram um potencial elétrico quando mecanicamente
tencionados (figura 2.12). Ao contrário, um potencial elétrico pode causar deformações
físicas no material, fazendo-o se dilatar. Este princípio é utilizado para fazer “buzzers”
eletrônicos, emitindo sinal sonoro numa certa freqüência. O principio de operação é o
seguinte: uma rede cristalina assimétrica é distorcida, uma reorientação das cargas
21
acontece, causando um deslocamento relativo de cargas negativas e positivas. As
cargas internas deslocadas induzem cargas superficiais de polaridade opostas nos lados
opostos do cristal. Cargas superficiais podem ser determinadas pela medida da
diferença de tensão entre os eletrodos presos na superfície.
A carga total q induzida é diretamente a força f aplicada: q = k * f onde k é a
constante piezoelétrica dada em Coulomb por Newton (C/N). A tensão pode ser
encontrada assumindo que o sistema funciona como um capacitor de placas paralelas
onde a tensão v através do capacitor é dada pela carga q dividida pela capacitância C .
FIGURA 2.12 – Sensor Piezoelétrico: a força aplicada é convertida em tensão.
Fonte: Soares, Flávio Augusto.
O baixo custo, simplicidade e tensões de saída relativamente altas geradas por
materiais piezoelétricos tornam-nos um meio particularmente eficaz na transdução de
uma variedade de fenômenos fisiológicos. Microfones de cristal com desenho especial
são comumente utilizados para medir e gravar os sons do coração (fonocardiografia).
As propriedades desejadas para esta aplicação são respostas em freqüência plana de 20
a 1000 Hz, uma sensibilidade direcional, de tal forma que sons de respiração, ruído
ambiente e outros sejam suprimidos.
O maior efeito piezoelétrico é conseguido com materiais cerâmicos
ferroelétricos que são muito utilizados nos acelerômetros. A montagem é feita com uma
parte fixa (invólucro) onde é preso um dos lados do sensor piezoelétrico, que será a
referência de tensão. Na parte superior do sensor é fixado o outro terminal elétrico e
uma massa que se deslocará quando houver acelerações do sistema. Ao se mover, esta
22
massa provocará as deformações no material piezoelétrico que responderá ao estímulo
apresentando uma diferença de tensão entre suas faces (figura 2.13). Além de uma
versão de mesa, como descrita, hoje em dia já existem acelerômetros minúsculos
colocados dentro de cateteres. Pesando algumas gramas, estes sensores são capazes de
detectar acelerações da ordem de 0,0001 cm/seg2.
FIGURA 2.13 – Resposta da freqüência de um sensor piezoelétrico.
Fonte: Soares, Flávio Augusto.
As piezos-resistências são utilizadas na construção de microfones e de
detectores de aceleração, como é o caso dos airbags dos automóveis e dos sensores de
fluxo em condutores de líquido ou gases. Devido à compatibilidade tecnológica com a
eletrônica do silício, os sensores de pressão são passíveis de integração conjunta com os
circuitos eletrônicos de revelação e processamento de sinal, permitindo, assim, realizar
numa única pastilha sistemas complexos que incluem as funções de transdução, de
revelação e de processamento da informação.
A aplicação neste trabalho é na medida da aceleração (acelerômetros) ou em
sensores de pressão dinâmica. Juntando-se vários piezoelétricos podemos compor um
conjunto responsável por amplificar mais ainda o sinal. Este conjunto é preso a carcaça
do equipamento no qual se deseja medir a freqüência de vibração ou a aceleração. Um
sinal nos terminais V+ e V- terá a seguinte forma (figura 2.14).
Como o sinal produzido por um piezoelétrico é forte, pode-se fazer um circuito
simples de amplificação do sinal usando amplificadores comuns (com entrada FET –
alta impedância).
23
FIGURA 2.14 - Gráfico da Força x Tempo e Sinal de Saída x Tempo.
Fonte: Soares, Flávio Augusto.
Principais características:
•
Possui boa resposta em freqüências maiores e ruins em menores;
•
Produz uma tensão de saída alta, mas em geral com muito ruído;
•
Quanto maior for à derivada da força aplicada no acelerômetro, maior é o pico de
tensão;
•
O transdutor é pequeno, leve e barato;
•
Detecta acelerações na ordem de 250.000 m/s2;
•
Não é útil para medir forças estáticas (pressão barométrica, peso ou força) porque a
tensão decai na presença de forças constantes.
Exemplo de materiais, que quando pressionados, produzem cargas elétricas nas
suas superfícies, utilizados nos acelerômetros:
•
Materiais cristalinos assimétricos naturais: quartzo e sais de Rochelle;
•
Cristais sintéticos: sulfato de lítio;
•
Materiais cerâmicos: bário/titânio;
•
Polímeros (produzidos a partir da década de 80).
24
Os transdutores de aceleração transformam movimentos mecânicos em sinais
elétricos. Ele é robusto, compacto, leve, com uma larga amplitude de freqüência e pode
ser de seis tipos:
1. Piezoelétrico - Um cristal dentro do acelerômetro emite carga elétrica quando
este é submetido a uma força.
2. Capacitivo – Funciona com a variação entre as capacitâncias devido a
aceleração entre uma placa central móvel e duas placas fixas cada uma com um
capacitor (figura 2.15).
FIGURA 2.15 - Esquema do Acelerômetro capacitivo.
Fonte: Soares, Flávio Augusto.
3. Piezoresistivo - Micromecanismos que mudam suas propriedades conforme a
mudança de resistência.
4. Magnetoresistivo - Material resistivo muda com a presença de um campo
Magnético.
5. Magnético - Movimento é convertido em sinais elétricos pela mudança de
campos magnéticos.
6. Transferência de Calor - Sensores de calor rastreiam uma massa aquecida em
movimento. É utilizada para medição de vibrações em máquinas industriais, indústria
automobilística (Airbags, Freios ABS, Sistemas de navegação), monitoramento de
animais, calibração de hélices, barcos autônomos, medição de vibração em torres de
transmissão elétrica, abalos sísmicos, etc.
25
Uma observação importante que se faz sobre a medição de deslocamento,
velocidade e aceleração e o conhecimento do deslocamento em função do tempo
[x = f (t )] permite, em princípio, que conheçamos a velocidade [v = dx dt ], bem como a
[
variação da velocidade no tempo, obtendo a aceleração a = dv
dt
2
=d x
dt 2
]. No
entanto, como a operação de diferenciação acentua o ruído (sobretudo de alta
freqüência) do sinal original, torna-se quase impossível determinar eletronicamente a
aceleração a partir do conhecimento do deslocamento. Já o processo inverso, que
consiste na obtenção da velocidade e deslocamento em função do tempo a partir do
conhecimento da aceleração, é bem mais viável eletronicamente. Na figura 2.16 estão
ilustrados estes dois procedimentos. Entretanto, quando realizamos a operação de
integração eletronicamente, devemos nos preocupar com o desvio “dc” do integrador
que pode se tornar um problema e levar a resultados incorretos.
FIGURA 2.16 – Modos de obtenção de deslocamento, velocidade e aceleração.
Fonte: Tavares, Eduardo Costa
26
III – EQUIPAMENTOS ESTUDADOS
Neste capítulo são apresentadas as características técnicas dos equipamentos
utilizados nos estudos deste trabalho que pertencem ao Laboratório.
3.1 – HBM SPIDER 8
O sistema de aquisição de dados ou data logger utilizado neste trabalho é o
HBM Spider 8, um sistema eletrônico de para medir sinais elétricos e variáveis
mecânicas como resistência, força, pressão, aceleração, temperatura e deslocamento
linear (figura 3.1). Os dados obtidos são armazenados em bancos de um computador.
Ele é um sistema multicanal digital universal, e destaca-se sobre tudo por sua
simplicidade e rapidez de aplicação, sem a necessidade de interruptores,
potenciômetros, pontes conectáveis, jumpers ou swiches. Possui 8 canais, os quais
possuem alimentação para transdutores, amplificadores, filtros e conversores A/D
passivos. Todos os conversores A/D trabalham sincronizados e fornecem até 9.600
valores medidos por segundo.
FIGURA 3.1 – HBM – Spider 8 conectado ao Laptop.
Fonte: Spider 8.
27
As principais características deste equipamento são:
•
Registro simultâneo de valores medidos em todos os canais;
•
Alta taxa de amostragem a uma resolução de 16-bits;
•
Filtros digitais selecionáveis;
•
Completa cadeia calibrada de medição;
•
Fácil operação e configuração;
•
Sem necessidade de intervenção de um PC;
•
Carcaça metálica em conformidade com o EMC;
•
Resistores de compensação integrados com calibração shunt (Spider 8-30).
Cada unidade do HBM – Spider 8 contém oito canais de entrada/saída, sendo
que este número pode chegar a 80, se colocado 10 unidades em cascata. Todos os
canais disponíveis são providos de vários tipos de funções como alimentação de
sensores, condicionamento de sinais, conversores analógico-digital, filtros.
Vários tipos de transdutores com princípios de funcionamento diferentes podem
ser utilizados no HBM – Spider 8, como:
•
Medidor de Freqüência / Contador de Pulsos;
•
S/G (strain gauge) em ponte completa;
•
S/G (strain gauge) em 1/2 ponte;
•
S/G (strain gauge) em 1/4 ponte;
•
S/G (strain gauge) usando conexão de três fios;
•
Transdutores Indutivos em ponte completa;
•
Transdutores Indutivos em meia ponte;
•
Potenciômetro;
•
Resistências;
•
Termopares;
28
•
Tensão de fontes de energia DC;
•
Corrente de fontes de energia DC.
Na figura 3.2 mostra-se toda arquitetura do sistema de aquisição de dados
Spider 8. Nele podem-se ver as opções de comunicação com o computador (porta
paralela, USB, RS-232, porta da impressora/próximo Spider 8), a interface, as 8
entradas/saídas disponíveis, os conversores A/D, os respectivos amplificadores e o tipo
de transdutores que podem ser utilizados.
FIGURA 3.2 – Vista da arquitetura do Spider 8
Fonte: Spider 8.
3.2 – Software CATMAN
O software que se utiliza no computador que faz a comunicação, a aquisição e o
tratamento dos dados do Spider 8 é o Catman. Nele os dados adquiridos são
29
visualizados e analisados em tempo real, e também estabelecidos às configurações dos
projetos ou ensaios, resumindo ele controla o sistema.
Um ponto importante é a possibilidade de salvar as configurações préestabelecidas em um arquivo ou carregar um arquivo com as mesmas. Com os dados
salvos, pode-se fazer gráficos com as informações obtidas, gerar relatórios e até
exportá-los para outros softwares de manipulação de dados.
A interface do Catman é de fácil manuseio e se assemelha muito com os outros
tipos de softwares utilizados na plataforma MS-Windows.
3.3 – SENSORES/TRANDUTORES
A seguir são descritos os sensores/transdutores existentes no Laboratório cujo
funcionamento associado ao sistema de aquisição e software dos itens anteriores é
objeto deste trabalho.
3.3.1 – LVDT – Sensotec
Os equipamentos de medição de deslocamento linear utilizados hoje no
Laboratório são AC-AC Long Stroke LVDT’s, Modelo: VL7A Spring Return (figura
3.3). Estes modelos atingem no máximo um erro de 0,25% não linearidade em toda
escala de medição.
Eles são designados para medição deslocamento linear estático e dinâmico. Os
modelos variam de ±0,5” até ±8,0” de deslocamento útil para medição. O Laboratório
possui 12 LVDT’s de 3 modelos, cada um com um range de medição diferente,
possibilitando medições lineares de deslocamento lineares de ±0,5”, ±2,0”, e ±4,0”.
Seu corpo e haste são construídos de aço inox para alta durabilidade em
ambientes industriais.
30
FIGURA 3.3 – LVDT’s da Sensotec, Modelos ML7A e MVL7.
Fonte: LVDT.
3.3.2 – Adaptadores de LVDT
O Laboratório possui dois tipos de adaptadores para LVDT, os quais na verdade
são condicionadores de sinais, sendo eles o 1601 LVDT Adapter e o MCS0698 da
Linx.
O primeiro condicionador de sinal 1601 LVDT Adapter (figura 3.4) da
Measurements Group é modelo mais antigo e utilizado atualmente no Laboratório,
sendo que se tem 4 unidades disponíveis.
FIGURA 3.4 – 1601 LVDT Adapter.
Fonte: 1601 LVDT Adapter.
Ele é uma placa de circuito impresso que contém oscilador, modulador,
amplificadores, filtros e ajustes de span, para que se produza o sinal DC necessário. O
medidor de deslocamento é conectado na pinagem do lado esquerdo, onde se tem uma
31
figura mostrando a conexão do mesmo. E do lado direito é ligado à fonte e amplificador
de sinal.
O segundo é o MCS0698, que é utilizado em outro sistema de aquisição de
dados que o Laboratório possui, o Linx. O laboratório possui doze unidades deste tipo
de condicionador. A grande vantagem deste condicionador é o circuito integrado (CI)
utilizado em sua montagem, figura 3.5.
FIGURA 3.5 – Foto do circuito do MCS0698
Então o sinal de entrada do MCS0698, onde é ligado o LVDT, é uma porta
mini-dim de 6 pinos (figura 3.7(a)). A pinagem deste conector de entrada é:
1. + Exc (Excitação Positiva)
2. – Exc (Excitação Negativa)
3. + IN (Sinal de Entrada Positiva)
4. CT (pinos 4 e 5 são curto circuitados internamente)
5. CT
6. + IN (Sinal de Entrada Positiva)
7. Blindagem (Carcaça Metálica do Conector)
O sinal de saída do MCS0698 é um conector parafusado de 4 vias (figura
3.7(b)):
1. V+ (Excitação Positiva)
2. OUT (Sinal de Saída)
32
3. V- (Excitação Negativa)
4. GND (Terra)
(A)
(B)
FIGURA 3.7 – (A) Porta mini-dim do MCS0698; (B) Conector parafusado de 4 vias.
3.3.3 – CÉLULAS DE CARGA e EXTENSÔMETROS
Os equipamentos de medição de força, células de carga (figura 3.8), utilizados
hoje no Laboratório de Estrutura são de diversos fabricantes e possuem diversas
capacidades de carga: 5, 10, 30, 50 e 200 toneladas. Estes valores variam com a
capacidade das mesas na sua blindagem.
FIGURA 3.8 – Foto da Célula de Carga.
Fonte: Células de Carga.
Todas as células de carga (eixo simples) medem a força somente na direção do
eixo do carregamento. O vetor componente da força em outras direções não é
mensurável é pode deformar o equipamento, além de introduzir erros de medição.
33
O Laboratório possui uma gama de extensômetro diferentes que são colados nas
estruturas para medir sua deformação quando se aplica uma força na mesma.
3.3.4 – ACELERÔMETRO
O equipamento utilizado é um transdutor de aceleração a prova de água da
Kyowa Electronic Instruments Company Ltd.. Eles são utilizados tipicamente para
medição de aceleração e desaceleração em elevadores, medição do impacto da
desaceleração em testes de colisão em automóveis, utilizado também em ensaios em
laboratórios e impactos de aceleração na decolagem e pouso em aviões.
O Acelerômetro que disponível no Laboratório é o ASW-A (figura 3.9), de 1A,
2A, 10A e 20A, um modelo compacto e leve, que proporciona uma vasta gama de
resposta de freqüência e assegura as características estáticas e dinâmicas dos ensaios.
Os sinais detectados são amplificados por um condicionador de sinal com uma
excelente linearidade e depois processado pelo Spider 8. Neste caso a aceleração é
medido em apenas um dos eixos, porém existem equipamentos que medem a
aceleração de 3 eixos simultaneamente.
Suas principais características técnicas são:
•
Escala de medição: 9.807 to 196.1 m/s2;
•
Resistência de pressão de água de 490 kPa;
•
Resistente a corrosão – Corpo de Alumínio;
•
Escala de não linearidade de ±1%RO;
•
Histerese: ±1%RO;
•
Resistência de Entrada: 122Ω ±1,6%;
•
Resistência de Saída: 122Ω ±1,6%;
•
Voltagem de Excitação Recomendada: 1 to 3V AC ou DC;
•
Máxima Voltagem de Excitação: 6V AC ou DC;
34
•
Escala de temperatura de trabalho: –15 to 65°C.
FIGURA 3.9 – Acelerômetro ASW-SA.
Fonte: ASW-SA.
35
IV – PROCEDIMENTOS
Para o objetivo deste trabalho, foi estudado o manual do HBM Spider 8 e dos
sensores (LVDT, Acelerômetro, células de carga e extensômetros), e com isso
verificou-se suas configurações eram compatíveis.
O próximo passo foi verificar como era a interligação (cabos) dos mesmos e
qual porta de amplificação dos sinais de entrada seria usada para cada tipo de sensor.
Nos próximos itens são esclarecidas todas as informações necessárias a um
usuário do Laboratório que necessite utilizar o sistema de aquisição de dados deste
trabalho. Serão explicados como conectar o Spider, os sensores/transdutores e
configurá-los no Catman.
4.1 – Conectando o HBM Spider 8
O equipamento utilizado tem várias possibilidades de ligações para trandutores.
Na figura 4.1 mostra-se a traseira do HBM Spider 8, onde se podem ver as várias portas
existentes.
FIGURA 4.1 – Foto traseira do HBM Spider 8.
Fonte: Spider 8.
A primeira porta é para alimentação (figura 4.2(e)) do equipamento, que é feita
por meio de uma fonte de 12V DC
36
Para a comunicação entre os sistemas de aquisição de dados HBM Spider 8 e o
computador existem quatro tipos de portas cada uma com uma função: porta paralela
PC/Master (figura 4.2(a) – branca de 25 pinos), porta paralela PRINTER/Slave (figura
4.2(b) – azul de 25 pinos), porta paralela Digital I/O (figura 4.2(c) – azul de 25 pinos) e
porta serial RS-232 (figura 4.2(d) – marrom de 9 pinos).
FIGURA 4.2 – Portas do HBM Spider 8.
Fonte: Spider 8.
A porta serial RS-232 é para a ligação direta do Spider 8 ao computador. A
porta paralela Digital I/O é para a ligação do Spider 8 com outros sistemas de aquisição
existentes, onde a entrada e saída são digitais.
As portas porta paralela PC/Master e porta paralela PRINTER/Slave,
dependeram do tipo de aplicação e número de Spiders utilizados. Para apenas um
Spider, liga-se no computador pela sua porta PC/Master e se for necessário na ligação
descrita acima utilizar uma impressora, pode-se usar a porta paralela PRINTER/Slave.
Para a ligação em cascata (figura 4.3), onde se é possível usar até 10
equipamentos e com isso obter 80 canais, o primeiro Spider é ligado na mesma
configuração anterior, porém os próximos Spiders serão ligados pela sua porta
PC/Master na porta PRINTER/Slave do Spider anterior. E a impressora na porta
PRINTER/Slave do último Spider.
Todos os transdutores são conectados a dois tipos de porta (módulos de
amplificação) basicamente, sendo a Carrier-frequency (figura 4.2(f) – 15 pinos) e outra
DC (figura 4.2(g) – 5 pinos).
A porta Carrier-frequency conta com um condicionador de sinais para os mais
diferentes tipos de sensores/transdutores, como por exemplo: Strain Gauge,
37
Transdutores Indutivos, Freqüência e Potenciômetros. Outro fator importante é que a
porta Carrier-frequency pode ter dois tipos de freqüência, sendo eles 4.8 kHz e 600 Hz,
dependendo apenas do modelo do Spider utilizado.
FIGURA 4.3 – Portas do HBM Spider 8.
Fonte: Spider 8.
Já a porta DC é utilizada para medir de tensão, corrente e resistência, por
exemplo, termopares, pt100 entre outros.
O número de portas para os transdutores pode variar sendo que as quatro
primeiras serão sempre do tipo Carrier-frequency e as outras quatro dependem da
especificação do usuário por que as últimas são módulos ou placas separadas que
podem ser do tipo Carrier-frequency ou DC.
4.2 – Conectando o LVDT
No caso do LVDT da Sensotec, o objetivo era eliminar o uso de uma pequena
caixa de condicionamento de sinais e com o amplificador de sinal, ambos utilizados na
ligação entre o Spider e o sensor nos ensaios do Laboratório.
O cabo deste sensor possui seis fios, um deles é o shield (terra) para proteger o
sinal de possíveis interferências, e os outros cinco são das bobinas primárias e
38
secundárias. Eles são diferenciados por suas cores, o vermelho e o amarelo são da
bobina primária e o azul, o verde e o preto são da bobina secundária.
Na ligação utilizada anteriormente, este o referido cabo era conectado a uma
caixa condicionadora de sinais (figura 4.4), que é um modulo de interface que permite o
uso de diversos tipos de LVDT. Seu funcionamento se dá através de um circuito
eletrônico para o condicionamento do sinal obtido.
FIGURA 4.4 – Foto da caixa condicionadora de sinais do LVDT.
Depois o sinal de saída das caixas condicionadoras era levado a um
amplificador (figura 4.5) e só então ele era ligado ao Spider pela porta DC.
FIGURA 4.5 – Foto da fonte de alimentação e amplificador do LVDT.
Um dos problemas do Laboratório com as caixas de condicionamento de sinal
era o fato de ser ter disponível apenas quatro unidades e ainda a baixa mobilidade do
conjunto dificultando o transporte. Com isso os ensaios ficam restringidos a utilizar a
mesma quantidade de LVDT’s em cada ensaio, o que eram insuficientes, e na maioria
39
das vezes era necessária a utilização de outros tipos de medidores de deslocamento
linear com a aquisição de dados sendo manual.
Outra dificuldade era impossibilidade de utilizar os transdutores de
deslocamento linear com maior comprimento de medição (range do transdutor), pois
apesar do fato de estarem disponíveis no Laboratório, os mesmos não funcionavam
com essa configuração no Spider 8.
O resultado disto era a necessidade de intervenção nos ensaios feitos, que
consistia na mudança física do posicionamento dos LVDT’s menores utilizados,
quando o range do mesmo terminava, ou seja, o transdutor era insuficiente para medir
todo o deslocamento do ensaio. Então se tinha saltos de informação (gaps) nos dados
obtidos, que atrapalhavam o estudo posterior do ensaio e os resultados obtidos com o
mesmo.
Para se resolver este problema, decidiu-se alterar o tipo de ligação do LVDT ao
Spider 8. Como o LVDT é um transdutor de deslocamento linear onde seu
funcionamento básico se faz através de indução, resolveu-se utilizar o esquema
mostrado na figura 4.6, que mostra o circuito de ligação de transdutores indutivos em
meia ponte no HBM Spider 8.
FIGURA 4.6 – Conexão para transdutores indutivos (LVDT) em meia ponte.
Fonte: Spider 8.
40
Como se pode verificar, a porta de amplificação utilizada é a Carrier-frequency,
ao contrário do que era feito anteriormente. Também é importante lembrar que a
programação utilizada no Catman foi de meia ponte e o range de 500mV, que será
descrito no item 4.5.
Através desta ligação não se tem mais necessidade da caixa com o
condicionador de sinais e do amplificador, pois esta entrada do sistema de aquisição de
dados já tem essas funções. O próprio sistema de aquisição de dados faz o papel do
condicionar e amplificar o sinal do transdutor indutivo.
Então o esquema de ligação entre o LVDT e a Spider 8 (figura 4.7), foi feito
pela porta de amplificação Carrier-frequency, utilizando a configuração a seguir. O fio
vermelho da bobina primária do transdutor foi ligado aos pinos 5 e 12. O fio amarelo da
bobina primária e fio azul da bobina secundária foram soldados juntos para que ambos
tivessem a mesma referência, e então foram soldados aos pinos 6 e 13. O fio verde foi
ligado ao pino 8, para medição do sinal de saída e o fio preto não foi usado.
FIGURA 4.7 – Ligação do LVDT ao Spider 8.
Outra possibilidade de ligação entre os equipamentos é a conexão em ponte
completa (figura 4.8), onde a única mudança é o fio azul do LVDT, que antes era
ligado aos pinos 6 e 13 da porta Carrier-frequency, que deve ser ligado no pino 15,
para que se tenha a configuração de ponte completa. Porém a programação no Catman
continua sendo meia ponte e o range de 500 mV.
41
Com estas ligações, o sinal de saída será positivo com entrada do núcleo
ferromagnético (core) dentro do corpo do LVDT e negativo caso contrário.
Todos os LVDT’s que o Laboratório possui funcionaram com tipo de ligação,
porém o range de medição do Spider 8 na porta Carrier-frequency, mede sinais de no
máximo 500 mV. Os LVDT’s de ±0,5” não excederam o limite da porta em nenhuma
das duas freqüências, com seu funcionamento normal. Já o LVDT de ±2,0” excedeu o
limite apenas na freqüência de 4.8 kHz, freqüência a qual houve uma redução pequena
do range, então sugere-se utilizá-lo somente na porta Carrier-frequency de 600 hz, para
se ter o full range do mesmo. E o LVDT de ±4,0” excedeu o range do Spider 8 nas duas
freqüências, fazendo com que seu range ficasse a 25% do nominal.
FIGURA 4.8 – Conexão para transdutores indutivos (LVDT) em ponte completa.
Fonte: Spider 8.
Para se resolver o problema do último LVDT, foi se utilizada a outra porta do
Spider 8, a DC, a qual uma das funções é medir tensões de até 10 V (figura 4.9). Porém
a mesma não possui um sistema de condicionamento de sinais.
Então foi utilizado o condicionador de sinais MCS0698, que era do outro
sistema de aquisição de dados disponível no Laboratório. Ele foi ligado em uma fonte
externa de ±12 V para alimentar o circuito do condicionador e o sinal de saída foi
ligado diretamente ao Spider. O resultado obtido foi satisfatório, pois o LVDT de ±4,0”
também funcionou e seu range foi de 70% do nominal.
42
FIGURA 4.9 – Conexão para medir tensão de até 10 V.
Fonte: Spider 8.
O LVDT foi ligado à porta mini-dim de 6 vias do condicionador. Sendo que os
fios: vermelho e amarelo da bobina primário do LVDT, foram ligados aos pinos 1 e 2
respectivamente, e os fios: verde e azul da bobina secundária foram ligados aos pinos 3
e 6 respectivamente (figura 4.10).
FIGURA 4.10 – Conexão para o LVDT no MCS0698.
A ligação da saída para medição do sinal entre o condicionador de sinais
MCS0698 ao HBM Spider 8 foi da porta parafusada de 4 vias à porta de amplificação
DC. Os pinos utilizados foram 2 e 3 para o sinal de saída (Out) e o terra (GND),
respectivamente. A fonte também foi conectada na porta de 4 vias do MCS0698, como
pode ser visto no esquema mostardo na figura 4.11.
43
FIGURA 4.11 – Conexão do MCS0698 ao HBM Spider 8 e a Fonte de Alimentação.
4.3 – Conectando as CÉLULAS DE CARGA e EXTENSÔMETROS
Não houve alteração das suas ligações, as mesmas continuaram a ser em ponte
completa na porta Carrier-frequency, pois os mesmo já se encontravam em
funcionamento normal.
O tipo de ligação utilizada atualmente é S/G (strain gauge), podendo variar a
configuração do tipo de ponte utilizada no Catman. O esquema da conexão do Spider 8
está esquematizado na figura 4.12.
44
FIGURA 4.12 – Conexão para S/G (Strain Gauge) em ponte completa.
Fonte: Spider 8.
4.4 – Conectando o ACELERÔMETRO
Outro objetivo era instalar o Acelerômetro ASW-A da Kyowa, que antes não
era utilizado em ensaios no equipamento de aquisição de dados HBM Spider 8.
O cabo deste acelerômetro possui quatro fios, os quais dois fios (vermelho e
branco) são para alimentação do amplificador interno do transdutor de aceleração e
outros dois fios (verde e azul) são para a saída do sinal gerado. A porta de amplificação
utilizada foi a Carrier-frequency, conforme a configuração de ponte completa na figura
4.8.
Então as ligações dos fios de alimentação foram: vermelho aos pinos 5 e 12, e o
branco aos pinos 6 e 13, e a ligação dos fios de saída do sinal foram: azul ao pino 8 e o
verde ao pino 15, como mostrado na figura 4.13, abaixo.
45
FIGURA 4.13 – Ligação do Acelerômetro ao HBM Spider 8.
4.5 – Configurando os equipamentos no Software Catman
Após todas as conexões dos sensores/transdutores estarem prontas e o sistema
de aquisição de dados conectado ao computador, deve-se iniciar o software de
aquisição de dados Catman.
O primeiro passo para a aquisição de dados é configurar a parte de hardware
(HBM Spider 8 e sensores/transdutores), figura 4.14, que estão sendo utilizados no
ensaio. Para abrir a janela de configuração chamada “IO-Channels”, clica-se em “I/O
definition” dentro da janela inicial do software. Depois acrescenta-se um novo
equipamento pelo botão “New Device” que está dentro “Hardware Devices”.
Escolhe-se as opções desejadas, neste caso Spider 8 e a porta de comunicação
com o computador sendo a LPT1. O HBM Spider configura automaticamente os canais
disponíveis sendo que o primeiro canal sempre configurado como o tempo. A seguir
acrescenta-se os nomes dos sensores/transdutores na coluna da tabela “Name” dentro
“I/O Channel”. Depois clica-se na célula de Status/Reading para verificar se a
comunicação do Catman com os respectivos canais utilizados do Spider 8 está Ok.
46
O próximo passo é configurar os sensores/transdutores no software. Para isso
clica-se no botão do assistente de configuração, dentro da tela “I/O Channel”. Irá abrir
uma janela (figura 4.15), nela altera-se o tipo de transdutor (Transducer Type), o range
das medidas (Measuring Range) e o tipo de filtro (Filter Type).
FIGURA 4.14 – Tela de configuração de Hardware do Catman.
Fonte: Catman.
Para o “Transducer Type” existem as seguintes opções de transdutores: Full
bridge (Ponte Completa), Half bridge (Meia Ponte), SQ Quarter bridge (Quarto de
Ponte), Voltage (Voltagem), Current (Corrente), Resistance (Resistência), Slope, Edge
+ Direction, 2 Phase 1x e 2 Phase 4x (para medições de freqüência (Hz), pulsos, etc.),
Thermocouple (Termopares dos tipos J, K, T, S, B, E, e R) e sensores de temperatura
tipo PT100, PT500 e PT1000. É importante lembrar que o tipo de transdutor que estará
ativo para escolha do usuário depende dos tipos portas disponíveis no HBM Spider 8.
O “Measuring Range” também dependerá dos tipos portas, porque, por
exemplo, não é possível ler corrente na porta Carrier-frequency, pois está função é da
porta DC. Existem várias opções de range, em cada um dos tipos de
sensores/transdutores, que podem ser medidos em Volts (V), Ampéres (A), Ohms (Ω) e
Hertz (HZ).
47
Terminada as configurações de hardware é necessário fazer as calibrações dos
sensores/transdutores no software. Voltando na tela “IO-Channels”, deve-se clicar na
célula do equipamento desejado na coluna “Scaling”, com o botão esquerdo do mouse
para abrir a janela de configuração dos parâmetros da escala.
FIGURA 4.15 – Tela de configuração dos sensores/transdutores.
Fonte: Catman.
Nela pode-se escolher as configurações prontas para termopares (Thermo J, K,
S, T, B, E e R) e sensores de temperatura (PT100, PT500, PT1000), também é possível
manter as configurações Externas dos Equipamentos (External hardware), que na
verdade é utilizar os dados obtidos pelo Spider 8 calibração e pode-se utilizar a
configuração “user”, onde o usuário define os parâmetros de calibração. As opções de
escala são linear, polinomial, função e strain gauge se são escolhidas na tela mostrada
na figura 4.16 e 4.17.
Para calibrar os extensômetros deve-se apenas digitar os parâmetros dentro da
janela de calibração. Para as células de carga têm-se duas opções: fazer várias
pesagens, utilizado pesos padrões, assim o usuário identifica os paramentos com ajuda
do software ou pode-se digitá-los como no caso dos extensômetro. Para o LVDT devese usar um calibrador de medidores de deslocamento, para achar os parâmetros de
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calibração. Depois da calibração o sistema de aquisição de dados está pronto para o
início do ensaio.
FIGURA 4.16 – Telas de calibração.
Fonte: Catman.
FIGURA 4.17 – Telas de calibração.
Fonte: Catman.
Para começar a medir as variáveis, o usuário deve-se ir à janela principal do
Catman e clicar em “Catmodules”, depois clicar em “Measuring” e por último em
49
“Single Value data”. Irá abrir a janela “Single value data aquisition” (figura 4.18). É
valido lembrar que existem outras opções no software para a aquisição de dados.
(A)
(B)
FIGURA 4.18 – (A) Foto dos Pesos Padrões; (B) Foto do calibrador de LVDT.
Nesta janela o usuário pode acompanhar em tempo real os valores lidos pelo
HBM Spider 8. Para armazenar um dado em certo instante o usuário deve apertar o
botão de adquirir e armazenar dado. Os dados são armazenados e adicionados na tabela
esquematizada na figura 4.19. Também é plotado um gráfico em tempo real dos dados
armazenados no Catman. Após os ensaios é possível exportar estes dados para outros
softwares como, por exemplo, o Excel.
50
FIGURA 4.19 – (A) Tela dos dados adiquiridos pelo Spider 8.
Fonte: Catman.
51
V – RESULTADOS
A filosofia do Laboratório é utilizar o HBM Spider 8 no maior número de
ensaios e montagens diferentes visto a facilidade e versatilidade do sistema de
aquisição de dados e seu software de controle, o Catman, que é de fácil utilização para
estudantes de pós-graduação que são usuários potenciais do Laboratório.
Na figura 5.1 pode se ver o esquema do sistema utilizado anteriormente, o qual
era de difícil montagem. Pode se ver na foto o LVDT, a Caixa condicionadora de
sinais, o Amplificador, HBM Spider 8 e o Computador.
FIGURA 5.1 – Foto do sistema de aquisição de dados utilizado no Laboratório.
Anteriormente a este trabalho o Laboratório não utilizava todo o seu potencial
de seus equipamentos, ou seja, não era possível aquisitar mais que quatro LVDT’s. A
partir deste trabalho todos podem ser utilizados simultaneamente, com várias opções de
montagem, bem como os técnicos do Laboratório foram instruídos para novas
possibilidades de montagem de sensores. Isso tudo devido às novas possibilidades de
ligação do medidor de deslocamento ao HBM Spider 8.
Com relação ao Acelerômetro que anteriormente não era utilizado no HBM
Spider 8, mas no Linx (Outro sistema de aquisição que o Laboratório possui), também
foi solucionado neste trabalho.
52
Para exemplificar as conexões entre os equipamentos HBM Spider 8 e os
sensores/transdutores do Laboratório e o funcionamento do software, foi realizado um
ensaio teste.
A montagem para o ensaio teste foi ligar ao sistema de aquisição de dados HBM
Spider 8, um LVDT de cada range ±0,5”, ±2,0”e ±4,0”, um extensômetro, uma Célula
de Carga e o Acelerômetro, figuras 5.2 e 5.3.
FIGURA 5.2 – Foto dos LVDT’s.
(A)
(B)
FIGURA 5.3 – (A) Foto do Extensômetro; (B) Foto da Célula de Carga.
Os LVDT de range ±0,5”, ±2,0” foram ligados diretamente ao HBM Spider 8
pela porta Carrier-frequency, nos canais 0 e 1. O outro medidor de deslocamento de
range ±4,0”, foi ligado ao condicionador de sinal MCS0698, a fonte e a porta DC no
canal 5. O extensômetro, a célula de carga e o acelerômetro todos foram ligados na
porta Carrier-frequency de 4,8 kHz, nos canais 2, 3 e 4.
As configurações utilizadas no software estão listadas na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Configurações utilizadas no ensaio teste
53
Spider
8
Canal 0
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
Canal 5
Sensor /
Transdutor
LVDT 0,5"
LVDT 2,0"
Extensômetro
Célula de Carga
Acelerômetro
LVDT 4,0"
Escala
Ligação
mm
mm
µm/m
g
mV
mm
Halfbridge
Halfbridge
SQ Quartebridge
Fullbridge
Fullbridge
Voltage
Range de
medição
500 mV
500 mV
3 mV
3 mV
3 mV
10 V
Todos os equipamentos funcionaram e foram aquisitados dados, porém para no
ensaio teste, foram usados o LVDT ±2,0”, o extensômetro e a Célula de Carga
(figura 5.4).
FIGURA 5.4 – Foto do ensaio realizado.
Os resultados da aquisição de dados estão na Tabela 5.2 e na figura 5.5, onde o
gráfico mostra a linearidade das medições obtidas. Devido à linearidade dos dados
obtidos prova-se que o sucesso da montagem e calibração.
54
Tabela 5.2 – Resultado das medições do ensaio teste
LVDT
Extensômetro
Célula de
2,0"
(µm/m)
Carga (g)
(mm)
0,00
0,00
-0,77
215,04
1,10
47,02
601,68
3,26
147,29
1171,44
6,75
340,09
Extensômetro (µm/m)
Célula de Carga X Extensômetro
1400,00
1200,00
1000,00
800,00
600,00
400,00
200,00
0,00
0,00
50,00
100,00 150,00
200,00 250,00 300,00 350,00 400,00
Célula de Carga (g)
LVDT 2,0" (mm)
Célula de Carga X LVDT 2,0"
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
Célula de Carga (g)
FIGURA 5.5 – Gráfico dos resultados obtidos no ensaio teste para o Extensômetro X Célula de Carga e
para o LVDT 2,0” X Célula de Carga
55
VI – CONCLUSÕES
Dentre os diversos ensaios realizados no Laboratório de Estruturas, há a
necessidade de aquisição de grandezas como deslocamento linear, rotação, cargas,
aceleração, deformações. Nestas aquisições em muitas situações diversas, medições
através de sensores/transdutores são necessárias.
Além disso, usualmente em estruturas em aço, objeto das pesquisas do
Laboratório, as grandezas anteriormente citadas, devem ser medidas com precisão,
sensibilidade e rapidez elevadas, visto a sua rápida variação no tempo, que é maior
quanto mais próximo da resistência da estrutura ensaiada.
Para se fazer uma medida de deslocamento linear de uma estrutura utilizava-se
uma vasta aparelhagem, desde o sensor (LVDT), uma caixa de passagem com um
circuito para condicionar o sinal do mesmo, um amplificador e finalmente o sistema de
aquisição de dados.
Como há apenas quatro caixas de passagem as demais medidas de grandezas de
deslocamento necessárias nos ensaios, eram medidas através de defletômetros manuais.
Estes últimos geram a necessidade de maior tempo na leitura dos e imprecisão nos
resultados devido à necessidade de uma pessoa ler e anotar manualmente seus
resultados.
Com a ligação direta ao Spider, ou seja, utilizando-se agora apenas o sensor de
deslocamento linear e o sistema de aquisição de dados, os ensaios poderão ser
realizados como precisão, sensibilidade, sem variação no instante da aquisição,
portanto melhores resultados. Deste modo, a montagem do sistema de aquisição de
dados HBM Spider 8 está mais prática e simples.
Outro fato importante, é que o mesmo sistema de aquisição de dados agora pode
ser utilizado para medir aceleração, o que antes não era possível. Com isso tem-se a
opção agora de ser realizar novos tipos de ensaios e estudos.
Para finalizar o trabalho, através do ensaio teste comprovou-se por meio dos
resultados obtidos a confiabilidade do sistema de aquisição de dados, utilizando todos
os sensores/transdutores do Laboratório simultaneamente.
56
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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8-30, Spider 8-01, 2003.
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Division.
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13 mar. 2007.
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Engenharia de Controle e Automação. Instalação do HBM-Spider 8 na prensa
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PEREIRA, Cristiano Caria Guimarães. Dissertação de Pós-Graduação em
Engenharia Civil – Curvas de Percepção e Conforto Humano para Vibrações
Verticais. 2005.
•
FREITAS, Arlene Maria Sarmanho; Freitas, Marcílio Sousa da Rocha; Souza,
Flávio Teixeira. Análise teórico-experimental de elementos formados a frio
perfurados submetidos à compressão - REM: Revista da Escola. Minas, 59-63,
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TRANDUTORES, Prof. Soares, Flávio Augusto, Curso Superior de tecnologia em
sistemas digitais – CEFET/SC.
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AD698 – LVDT Signal Conditioner, Operating Manual, 2007.
•
MC0698 – Manual do MC0698, 2004.
•
THE LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER. Shaevitz, Herman.
Proceedings of the SASE, Volume IV, No. 2, 1946.