Sumário1. Objetivo...................................................................................1

2. Introdução Teórica..................................................................1

2.1 - Célula de carga.................................................................1

2.2 Strain Gage.........................................................................2

2.3 Ponte de Wheatstone........................................................3

2.4 Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga:..........................................................................5

3. Equipamento...........................................................................7

4. Procedimento..........................................................................7

5. Resultados...............................................................................9

6. Análise e Discussão dos Dados.............................................10

7. Conclusão..............................................................................12

8. Bibliografia............................................................................12

1. Objetivo

Verificar o funcionamento de uma célula de carga. Fazer aquisição de sinais de uma célula de carga através do Labview, condicionar o sinal, salvar dados e analisar. Calcular valor máximo, mínimo, médio e desvio padrão dos dados e demostrar o gráfico das amostras.

2. Introdução Teórica

2.1 - Célula de carga

É um dispositivo eletromecânico que mede a deformação ou flexão de um corpo e a transforma em uma saída de tensão. O sinal em microvolts é alterado proporcionalmente à medida que aplicamos uma carga em sua estrutura física. A célula é constituída de um ou mais extensômetros, e um circuito denominado ponte de Wheatstone. O tipo de aplicação da célula é o fator determinante para a escolha da quantidade de extensômetros e configuração do circuito da ponte. As figuras 1, 2 e 3 mostram exemplos de aplicações de células.

1

2.2 Strain Gage

O extensômetro de resistência elétrica (strain gage), é um resistor elétrico composto de uma grade metálica sobre uma camada isolante de substrato de polímero. Este é colado sobre uma estrutura de teste no qual é sensível a variação de sua resistência em função de uma carga aplicada, podendo-se então estudá-la, medindo e verificando o comportamento de sua estrutura. Estas estruturas por sua vez, apresentam deformações que podem ser monitoradas de diversas formas, dentre as quais: por relógio comparador, por detector eletrônico de deslocamento, por fotoelasticidade, por camada frágil e por strain gage, dentre outros. O strain gage é comumente utilizado pela sua versatilidade. Um sensor de força ou de pressão, por exemplo, nada mais é do que uma estrutura mecânica planejada a deformar-se dentro de certos limites. O extensômetro realiza a medição em duas direções. A direção principal é a melhor escolha a ser feita, pois possui a maior sensibilidade, ao contrário da direção secundária que é dada pelo coeficiente de poisson (υ), como pode ser observado na figura 9. Utilizaram-se quatro extensômetros de 350Ω nesta célula de carga.

Figura 9 – Strain Gage.

2

O fator K fornecido pelo fabricante é dado pela equação 1.

Onde:K = fator do extensômetroR = resistência inicialΔR = variação resistênciaL = comprimento inicialΔL = variação do comprimento

2.3 Ponte de Wheatstone

O circuito da ponte de Wheatstone é utilizado para medir o desbalanceamento entre os extensômetros e resistores, causado pela deformação sofrida da estrutura. O desbalanceamento é medido pela variação de tensão e posteriormente transformado na grandeza desejada. Existem diversos tipos de configurações de ponte, nos quais podemos citar ¼, ½ e ponte inteira, em que a última obtém um melhor resultado, pois possui elevada sensibilidade. Neste experimento utilizou-se uma ponte inteira, como exemplifica a figura 10.

Figura 10 – Ponte inteira de Wheatstone utilizada na célula de carga.

3

A saída Eo da ponte inteira é dada por:

Onde:ε = Δl/l = deformação relativa = μm/m =microstrainK = fator do extensômetroR = 350Ω

Figura 11 – Exemplo de ¼ ponte Wheatstone.

4

Figura 12 – Exemplo de ½ ponte Wheatstone.

2.4 Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga:

2.4.1 Capacidade nominalA força máxima que ela deverá medir (OS fatores de segurança, 50% de sobrecarga contra danos de funcioonamento e 300% para a ruptura, são intrínsecos a própria célula).

2.4.2 SensibilidadeA medicão do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através da variação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada da ponte. Quando a célula de carga esta carregada, este valor é dado em milivolt por volt aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto siqnifica que uma céluLa de carga de 30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída uma variação de tensão de 20mV.

2.4.3 PrecisãoÉ o erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. As células de carga neste caso podem ser divididas em:Baixa precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal)Média precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal)

5

Alta precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal)

2.4.4 FormatoDe acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos, considerando-se se a carga é apoiada (células tipa viga) ou se a carga é sustentada (célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na célula (células tipo single point).

2.4.5 Ambiente de trabalhoAmbientes úmidos químicamente agressivos requerem células de carga herméticas, com grau de proteção IP67, que se consegue normalmente nas do tipo shear-beam. Dever ser evitado o uso de células de carga em ambientes sujeito à vibração intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verificação de frequência natural, no sentido de se evitar o fenômeno de ressonância. O uso de células de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado por barreiras de segurança intrínseca. Alerta-se que o uso de barreiras de segurança intrínseca inserem resistências em série nos circuitos, o que poderia baixar as tensões do excitação. É recomendavel o uso de indicadores que compensem esta diminuição através de ligações a 7 fios (tipo Kelvin).

2.4.6 Dispositivos de montagemDevem ser escolhidos visando não transmitir à célula de carga nenhum outro esforço que não seja o da força a medir e, portanto, visando assegurar para a carga todos os graus de liberdade de deslocamento possíveis, à excessão do relativo à direção da força a medir.

2.4.7 Tempo de pesagemMuitas vezes dispõe-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Neste caso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mínimo para cada pesagem, considerando-se o amortecimento das oscilações que a célula sofre ao receber o carregamento. Eventualmente este tempo pode ser reduzido através do uso de sistemas de amortecimento.

2.4.8 Limites de sobrecarga e deslocamentosEm células de carga tipo flexão ou bending, normalmente de baixa capacidade, é necessário prever-se limites de sobrecarga que impeçam a célula de carga de deformar-se além de um dado valor. Nas células tipo cisalhamento (shear beam) e compressão (canister), é difícil aplicar limites de sobrecarga, tendo em vista o pequeno valor da flecha produzida em função da carga nominal aplicada e, portanto, cabe ao usuário precaver-se quanto a eventualidade do uso de cargas excessivas. Outros limites de deslocamento usados são os tirantes, necessários para limitar o deslocamento de tanques e silos, quando as células de carga estão situadas abaixo do centro de gravidade dos mesmos (portanto, não são autocentrantes), sujeitos a ação dos ventos ou com misturadores instalados. O objetivo destes tirantes é obstar deslocamentos não verticais.

2.4.9 ConclusãoAs células de carga são transdutores bastante precisos e de vida útil muito longa (são projetados e testados em protótipo para dez milhões de ciclos de pesagem). Esta

6

longevidade e precisão podem ser facilmente obtidas desde que sejam convenientemente especificadas e instaladas.

3. Equipamento

- Computador- Placa NI – DAQ- Software Labview- Célula de carga

4. Procedimento

Foram realizadas as ligações da placa NI-DAQ à placa de comunicação do Computador, ligado os cabos da célula de carga à placa NI- DAQ previamente pelo instrutor do laboratório.Iniciamos o software Labview, e foi realizado o esquemático de ligações demonstrado na figura 4.1 abaixo:

Figura 4.1. Diagrama de ligação dos componentes para análise dos dados

Juntamente com o diagrama montado acima foi criada a parte gráfica conforme demonstrado na figura 4.2 abaixo:

7

Figura 4.2 Painel gráfico da balança por célula de carga

É importante ressaltar que foram necessários ajustes nas taxas de leitura de amostragens diferente do padrão proposto pelo software. Foi modificado a frequência de 15kHz para 1kHz. Desta forma foram gerados menos valores de amostra por segundo que teria sido gerado com o valor padrão. Foi realizado está alteração com o objetivo de obter menos dados que não seriam interessantes para a amostragem, como o tempo em que a balança estaria zerada pois estaria sem peso algum em sua bandeja.Além dessa alteração, foi inserido um filtro na saída de dados do bloco de aquisição de dados para realizar uma melhor precisão no valor das amostras. Também foi implantado multiplicadores, arredondamento, blocos de correção para chegar ao valor na unidade desejada. Para a primeira medida, foi necessário realizar a calibragem, para isso, foi colocado na balança um peso de valor conhecido e zerado a balança apertando o botão zerar. Para uma melhor referência no tempo de amostragem, foi inserido no comentário na gravação de dados, a data e a hora em que foi realizado a medição dos objetos.Após realizado a calibragem, foram colocados na balança cinco pesos diferentes. Foram pesados: um celular, uma borracha, uma caixa de óculos, um relógio e um estojo de lápis e canetas.

8

5. Resultados

Os valores obtidas segue em planilha abaixo:

Valores obtidosPeso Data e Hora Peso Data e Hora

0 06/jun/11--19:15:25 78,425 06/jun/11--19:16:10534,66 06/jun/11--19:15:26 76,155 06/jun/11--19:16:11534,66 06/jun/11--19:15:27 74,405 06/jun/11--19:16:12

533,655 06/jun/11--19:15:28 76,155 06/jun/11--19:16:13533,655 06/jun/11--19:15:29 -2,01 06/jun/11--19:16:13535,665 06/jun/11--19:15:30 -2,01 06/jun/11--19:16:14

3,015 06/jun/11--19:15:31 94,47 06/jun/11--19:16:153,015 06/jun/11--19:15:32 112,205 06/jun/11--19:16:163,015 06/jun/11--19:15:33 110,195 06/jun/11--19:16:172,01 06/jun/11--19:15:34 109,19 06/jun/11--19:16:182,01 06/jun/11--19:15:35 109,19 06/jun/11--19:16:19

0 06/jun/11--19:15:35 108,185 06/jun/11--19:16:202,01 06/jun/11--19:15:36 109,16 06/jun/11--19:16:21

1,005 06/jun/11--19:15:37 18,09 06/jun/11--19:16:2235,1 06/jun/11--19:15:38 -1,005 06/jun/11--19:16:23

36,105 06/jun/11--19:15:39 0 06/jun/11--19:16:2437,11 06/jun/11--19:15:40 -2,01 06/jun/11--19:16:25

38,115 06/jun/11--19:15:41 -1,005 06/jun/11--19:16:2640,125 06/jun/11--19:15:42 210,745 06/jun/11--19:16:2737,11 06/jun/11--19:15:43 209,74 06/jun/11--19:16:2737,11 06/jun/11--19:15:44 209,74 06/jun/11--19:16:2839,12 06/jun/11--19:15:45 211,75 06/jun/11--19:16:2939,12 06/jun/11--19:15:46 210,745 06/jun/11--19:16:3037,11 06/jun/11--19:15:46 211,75 06/jun/11--19:16:3137,11 06/jun/11--19:15:47 -6,03 06/jun/11--19:16:32

36,115 06/jun/11--19:15:48 -1,005 06/jun/11--19:16:3336,11 06/jun/11--19:15:49 -2,01 06/jun/11--19:16:34

35,105 06/jun/11--19:15:50 0 06/jun/11--19:16:3534,125 06/jun/11--19:15:51 314,775 06/jun/11--19:16:36-1,005 06/jun/11--19:15:52 311,755 06/jun/11--19:16:37

0 06/jun/11--19:15:53 312,76 06/jun/11--19:16:3865,325 06/jun/11--19:16:04 312,76 06/jun/11--19:16:3974,405 06/jun/11--19:16:05 311,755 06/jun/11--19:16:4075,15 06/jun/11--19:16:06 310,75 06/jun/11--19:16:40

74,405 06/jun/11--19:16:07 311,755 06/jun/11--19:16:4177,42 06/jun/11--19:16:08 310,75 06/jun/11--19:16:42

76,155 06/jun/11--19:16:09 310,75 06/jun/11--19:16:43

6. Análise e Discussão dos Dados

9

Os valores em destaques foram os valores considerados para as análises abaixo. Foram descartados os valores muito dispersos da medida mais próxima da estável para não alterar os valores médios obtidos para cada peça. Em ordem os dados obtidos em destaque são: Calibragem da balança, um celular, uma borracha, uma caixa de óculos, um relógio e um estojo de lápis e canetas.

Os valores para cada objeto estão descritos abaixo:

Celular35,1 06/jun/11--19:15:38

36,105 06/jun/11--19:15:3937,11 06/jun/11--19:15:40

38,115 06/jun/11--19:15:4140,125 06/jun/11--19:15:4237,11 06/jun/11--19:15:4337,11 06/jun/11--19:15:4439,12 06/jun/11--19:15:4539,12 06/jun/11--19:15:4637,11 06/jun/11--19:15:4637,11 06/jun/11--19:15:47

36,115 06/jun/11--19:15:4836,11 06/jun/11--19:15:49

35,105 06/jun/11--19:15:5034,125 06/jun/11--19:15:51

Borracha74,405 06/jun/11--19:16:0575,15 06/jun/11--19:16:06

74,405 06/jun/11--19:16:0777,42 06/jun/11--19:16:08

76,155 06/jun/11--19:16:0978,425 06/jun/11--19:16:1076,155 06/jun/11--19:16:1174,405 06/jun/11--19:16:1276,155 06/jun/11--19:16:13

Caixa de óculos112,205 06/jun/11--19:16:16110,195 06/jun/11--19:16:17109,19 06/jun/11--19:16:18109,19 06/jun/11--19:16:19

108,185 06/jun/11--19:16:20109,16 06/jun/11--19:16:21

Relógio210,745 06/jun/11--19:16:27

10

209,74 06/jun/11--19:16:27209,74 06/jun/11--19:16:28211,75 06/jun/11--19:16:29

210,745 06/jun/11--19:16:30211,75 06/jun/11--19:16:31

Estojo com lápis e canetas314,775 06/jun/11--19:16:36311,755 06/jun/11--19:16:37312,76 06/jun/11--19:16:38312,76 06/jun/11--19:16:39

311,755 06/jun/11--19:16:40310,75 06/jun/11--19:16:40

311,755 06/jun/11--19:16:41310,75 06/jun/11--19:16:42310,75 06/jun/11--19:16:43

Obs: A quantidade de valores obtidos por cada objeto dependeu do tempo em que o objeto ficou na balança. Quanto maior o tempo, mais dados de amostra foram gravados, portanto mais preciso.

Os resultados dos cálculos de valor máximo, mínimo, médio e desvio padrão são mostrados na planilha abaixo:

ObjetoValor Desvio

padrãoMáximo Mínimo MédioCelular 40,13 34,13 36,98 1,65Borracha 78,43 74,41 75,85 1,42Caixa de óculos 112,21 108,19 109,69 1,39Relógio 211,75 209,74 210,75 0,90Estojo com lápis e canetas 314,78 310,75 311,98 1,31

Para análise, foi montado um gráfico dos valores obtidos no eixo y, pelo tempo no eixo x, demostrando a variação da carga durante todo o período de execução das medições de peso dos objetos. Observa-se no gráfico ao final de cada medição, que o valor do eixo y vai até 0, demonstrando o momento em que a peça foi retirada da balança e o tempo que demora para o peso se estabilizar em um valor quando colocado uma carga sobre a bandeja. O gráfico é mostrado abaixo:

11

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73-100

0

100

200

300

400

500

600Gráfico de uma célula de carga

Tempo (s)

Peso

s (g)

7. Conclusão

Através deste experimento, foi possível compreender o funcionamento de uma célula de carga, a utilização do software Labview para trabalhar com aquisições e condicionamento de sinais. Foi observado que devido a grande quantidade de amostras recebidas de um sensor é importante realizar cálculos estatísticos para um resultado mais preciso dos valores de peso de cada objeto. E por final, concluiu-se que a utilização de células de carga para tarefas de medição de pesos é uma ótima ferramenta, pois possui grande precisão e sensibilidade.

8. Bibliografia

http://www.celuladecarga.com.br/

12