Instalação de Sensores de Força Instalação de Sensores de Força | HBM

Instalação de sensores de força

Os transdutores de força atingiram um elevado nível técnico nos últimos anos. Os transdutores atingiram parte de sua alta precisão devido à melhoria das possibilidades de calibração. Em muitos casos, um transdutor de força, ao contrário das células de carga, por exemplo, não pode ser calibrado na aplicação. Para obter bons e confiáveis resultados de medição, é importante chegar o mais perto possível da situação de instalação da calibração em uso prático, permitindo apenas desvios dentro das especificações técnicas válidas.

A precisão da medição de um transdutor de força depende, em grande parte, da situação da instalação. Situações de instalação desfavoráveis tem um efeito adverso sobre a precisão da medição das propriedades dinâmicas da cadeia de medição, bem como a sensibilidade aos efeitos dos campos eletromagnéticos.

 

1. Efeito da direção da força

a. Aplicação de força inclinada

 

Os manuais de funcionamento para transdutores de força, por exemplo, o transdutor de força C2 da HBM, exigem que " ... as forças que atuam sobre os transdutores, devem ser exercidas exatamente na direção da medição, se possível."

Existem algumas razões para isso. Em primeiro lugar, surge um erro de medição sistemático, pois o transdutor de força só mede forças na direção da medição. Forças aplicadas a um ângulo da direção da medição são compensadas em grande parte porque as forças laterais geralmente não são o objetivo da medição.

 

Neste exemplo, a força a ser medidaFin, é aplicada ao transdutor em um ângulo representado por α. O vetor força, da força aplicada é então decomposto em dois componentes: Fx e Fz. Somente a força na direção Z, que é menor que a força aplicada, é medida no sensor.

Considerando a fórmula:

Fz = Fin ⋅ cos(α)

O resultado da medição é, portanto, reduzido por um fator de cos (α).

Além disso, nestes casos, uma força lateral é exercida, o que pode ser calculado com:

Fx = Fin⋅ sin(α)

O erro de medição quando é aplicada força em ângulos de até cinco graus é descrito na tabela abaixo:

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %

Por comparação: o maior erro individual em modernos transdutores de força (S9M, S2M) é de 0.02%

 

2. Efeito de forças laterais, momentos de flexão e torque

a. Forças Laterais

Forças laterais são as forças que são aplicadas perpendicular à direçãode medição do transdutor. A norma alemã: VDIVDE2638 refere-se a uma força que atua num ponto da aplicação de carga.

Estas forças laterais são geradas, por exemplo, devido ao próprio peso dos anexos ou porque uma carga é aplicada em um ângulo. Em geral, uma força lateral sempre induz um momento de flexão, tal como a força lateral raramente atua na altura de instalação do Strain Gage (SG). Dependendo da sensibilidade transversal do transdutor, é gerado um erro adicional. Este erro é bem inferior a 1% da força na direção da medição (Fz), na maior parte dos transdutores a força lateral é de 10% de Fz.

b. Momentos de Flexão

Grandes erros de ângulo na aplicação da força podem destruir o transdutor. Um momento de flexão muitas vezes se sobrepõe à força efetiva a ser medida na prática. 

O esquema acima mostra a situação. Além da força aplicada, o transdutor também é carregado por um momento de flexão. Um momento de flexão pode ser gerado, por exemplo, por uma força lateral no ponto em que a carga é aplicada, por exemplo, devido ao próprio peso dos elementos que aplicam força, quando o transdutor está montado horizontalmente. Aplicação de carga excêntrica também pode gerar um momento de flexão. 

Neste caso, o torque (que gira no sentido horário neste esboço) alivia a carga no transdutor, no lado esquerdo e carrega-o no lado direito. Transdutores de força rotacionalmente simétricos (C2, U2B ou U10M) são especialmente insensíveis a momentos de flexão porque eles compensam os momentos de flexão, utilizando vários pontos de medição distribuídos ao longo da circunferência. Transdutores de força U10M e U10S tem um alinhamento de momento de flexão que reduz a influência do momento de flexão para 0,01%. Esta característica faz uso do fato de que, quando os pontos de medição individuais são combinados, o resultado gerado é sempre o valor significativo. 

Independentemente disso, um grande momento de flexão pode destruir um transdutor de força. É importante observar, como mencionado acima, que o momento de flexão não é exibido.

Tenha em mente também que, em muitos casos, momentos de flexão também trazem com eles uma força lateral, que coloca carga adicional no transdutor. Observe também os desenhos abaixo.

 

O momento de flexão é gerado no lado esquerdo, porque a carga é aplicada excentricamente Neste caso, não existe uma força lateral.

Um momento de flexão é gerado no lado esquerdo, porque o peso intrínseco da aplicação de carga produz uma alavanca. A distância do centro de gravidade para o transdutor de força é o comprimento da alavanca. O peso é transformado numa força neste caso simples. O momento é obtido pela multiplicação da força vezes o braço de alavanca. Além disso, a força peso atua sobre o transdutor como uma força lateral. Ambas as influências parasitas devem ser levadas em consideração. 

c. Torques

Transdutores de força projetados para o carregamento de compressão e de tração são fornecidos com roscas internas (S9, S2, U10) ou parafusos rosqueados (U15, Z4, U2B). Durante a instalação do transdutor, é importante que estas ligações parafusadas estejam travadas no lugar com um torque adequado. O torque máximo é frequentemente excedido durante a montagem. Observe: Bloqueie as conexões do parafuso no lugar para que nenhum torque seja transferido para do transdutor. O torque máximo também deve ser mantido em mente, pois o transdutor pode ser destruído permanentemente se o valor limite for excedido. 

Durante a operação, o torque é amplamente compensado pela geometria do corpo do transdutor e da localização de instalação do SG.

d. Interação de todos os momentos, torques e forças laterais

Os limites máximos de carga devem ser sempre entendidos como indicando que o transdutor, quando carregado com a força nominal, também pode ser carregado com uma das influências parasitas. Se vários efeitos agem simultaneamente sobre o transdutor de força, então vale o seguinte:

  • Vários componentes simultaneamente nos valores máximos permitidos irão destruir o transdutor

  •   Se várias influências agem sobre o transdutor simultaneamente, estes componentes devem ser adicionados. O total não pode exceder 100%. Exemplo: 50% do torque admissível, 40% do momento de flexão admissível e 10% da força lateral admissível são utilizados. Então, o transdutor estará em carga máxima, já que a soma é igual a 100%.

3. Transdutores de força de compressão com aplicação convexa da força

Transdutores são projetados para que eles só sejam capazes de gravar forças na direção de pressão geralmente são equipados com um encaixe convexo para a aplicação da carga.

A aplicação de uma força sobre o botão de carga pode ser implementada com os suportes de aplicação de carga que estão disponíveis para os vários modelos. Estes incluem, por exemplo, unidades de pressão conforme mostrado no esquema abaixo.

 

A unidade de pressão deste tipo é simplesmente colocado sobre o ponto de aplicação da carga. Cuidados devem ser tomados para que simplesmente não existam objetos estranhos entre a unidade de pressão e do transdutor de força. A unidade de pressão tem um rolamento rotativo e o ângulo para o transdutor pode ser alterado de modo que os momentos de flexão e de torques não sejam transferidos para o transdutor.

Se um transdutor de força é instalado sem uma unidade de pressão deste tipo, os seguintes requisitos devem ser atendidos para o componente que entra em contato com a área convexa de aplicação da força:

  • A HBM recomenda uma dureza de pelo menos 43 HRC

  • A peça deve ser reta

  • A montagem deve ser realizada de modo que o componente de encaixe não levante e o transdutor possa ser atingido por impactos

  • Se possível, o componente de encaixe deve girar e ter um rolamento rotativo para evitar momentos de flexão e torques.

Transdutores de força, são geralmente colocados em uma estrutura para a sua aplicação. Isto significa que a força é dirigida para dentro da estrutura sob o transdutor de força. No entanto, a montagem horizontal também é concebível. Neste caso, o transdutor deverá ser ligado rigidamente com a estrutura.

Em qualquer caso, o elemento estrutural em que o fundo do transdutor está montado deve ser projetado de modo que as forças sejam recebidas com apenas ligeira deformação. Rigidez suficiente deve ser assegurada para este objetivo.

Também é importante que a superfície seja regular. O desnível máximo tolerável é de 0,005 mm. Uma estrutura regular de suporte assegura que o transdutor de força irá ser deformado na forma necessária para alcançar a precisão de medição completa do fabricante. 

A estrutura de suporte deve ser resistente à deformação e deve ter um diâmetro maior do que o do transdutor de força. Uma subestrutura que resulta em uma deformação significativa, uma superfície muito pequena ou uma irregularidade na aplicação de força irá conduzir a estados de deformação que não foram tomados em consideração na construção do transdutor. Dados técnicos relacionados com a sensibilidade, a linearidade e histerese podem, portanto, mudar.

Essential requirement for the contact surface of a force transducer: sufficient size, evenness and stiffness.

4. Transdutores de força para as forças de tração e compressão com rosca de aplicação de força

Se as forças de tração serão medidas em conjunto com as forças de compressão, a aplicação de carga em ponto convexo é, naturalmente, inadequado.

Para transdutores de força de tração ou os transdutores de força que são adequados para as forças de tração e de compressão, os componentes que aplicam a força para o transdutor são, portanto, parafusados com o transdutor. Alguns transdutores de força, por exemplo, a Z4A ou o U2B, tem uma rosca externa na parte superior e uma rosca interna na parte inferior. Transdutores de força da série U10M e U10S estão equipados com roscas internas em ambos os lados da conexão.

Roscas internas são consideravelmente mais compactas. Isto as tornam adequadas para transdutores de força que devem ser planos. Em roscas externas, a distância entre a ligação do parafuso e a instalação do SG é naturalmente maior, o que tem um efeito positivo sobre várias propriedades de metrologia (histerese!). Transdutores de força para a carregamento de tração e compressão com elevados requisitos de precisão e reprodutibilidade geralmente têm, portanto, uma rosca externa. Uma rosca interna é utilizada apenas no lado não-crítico.

Para rosca interna:

Para cada ligação aparafusada de um transdutor de força, uma pressão de superfície suficiente deve ser exercida sobre o transdutor de força pela porca. Há duas maneiras diferentes de fazer isso:

a.    Uma ligação aparafusada com aplicação de uma força que é maior do que a maior força de operação

  •  Aperte os elementos de ligação para o transdutor de força em ambos os lados.

  • Carregue o transdutor de força além de sua carga operacional (não ultrapassar os limites máximos)

  •  Aperte as contraporcas

  • Agora, a força pode ser recebida pelo transdutor. O sensor está montado corretamente.

Para sobrecargas exigidas, ver as instruções de montagem:

b.    Montagem com torque adequado

  • Aperte os elementos de ligação

  • Aperte as contraporcas de acordo com as instruções de montagem

Observe que o torque necessário para montagem nunca deve ser aplicado através do transdutor. Se for, o transdutor pode ser destruído.

Para transdutores de força com rosca externa:

O componente a ser conectado deve ser, pelo menos, fixado no lugar por uma contraporca. Esta exigência é eliminada por medidas de força puramente estáticas. Os torques são especificados nos manuais de operação para os transdutores de força. 

 

A Z4A (direita) só é bloqueada no segmento interno. Bloqueio com uma porca é sempre necessário para o segmento externo do U2B (à esquerda).

A HBM oferece olháis para quase todos os transdutores que são adequados para as forças de tração e de compressão. Se os transdutores de força são montados utilizando, pelo menos, um olhal, os momentos de torção não são transferidos para o transdutor. 

Se forem usados dois olháis, os momentos de flexão e as forças não devem ser aplicadas ao transdutor de força em um ângulo.

 

Uso de dois olháis para a calibração de uma U10M com uma capacidade máxima de 500 kN.

 Olháis não são normalmente adequados para medir as forças dinâmicas, porque o jogo do rolamento aumenta ao longo do tempo, o que pode levar a erros de medição. Além disso, a extensão de frequência dentro das quais os olháis podem ser utilizados é limitado a cerca de 10 Hz.

Para requisitos dinâmicos, recomendamos, portanto, a utilização de elementos flexíveis para aplicar forças.