As medições são realizadas com strain gages  (extensômetros) na análise de stress mecânico para examinar carregamento e fadiga.

Além do sinal de medição desejado, indicando as deformações mecânicas, cada strain gage também produz um sinal de medição decorrente da temperatura. Este sinal, denominado deformação aparente, é sobreposta à mensurada real.

Vários efeitos contribuem para a deformação aparente:

  • Dilatação térmica do objeto de medição (ou seja, tensão inteiramente devido à temperatura, sem carga mecânica aplicada)

  • Mudança de temperatura decorrente da resistência do strain gage

  • Dilatação térmica da grade de medição do strain gage

  • Resposta à temperatura dos fios de conexão

Os efeitos da temperatura podem ser compensados em medições de extensômetros, por exemplo conectando vários strain gages em conjunto para formar uma ponte completa ou uma meia ponte. Essa abordagem utiliza o efeito de que no circuito de ponte de Wheatstone, que é normalmente utilizado, as tensões em diferentes strain gages são refletidas no sinal de medição com sinais opostos (ou seja, positivo e negativo). Por meio da organização dos extensômetros, a tensão da ponte resultante representará apenas a carga mecânica e os efeitos dependentes da temperatura vão se anular.

A compensação de temperatura com uma ponte completa ou meia ponte não será mais discutido neste documento, já que o presente tópico é a resposta correspondente da temperatura nos extensômetos. O caso considerado a seguir, com um circuito de strain gage de 1/4 de ponte, envolve todos os quatro efeitos citados acima. A deformação aparente decorrente da temperatura pode ser reduzida pela correspondente resposta à temperatura.

Resposta correspondente da temperatura nos strain gages

A deformação aparente que entra em jogo com as alterações de temperatura pode ser representada de forma simplificada, da seguinte maneira:

Com os seguintes parâmetros:
εs = deformação aparente do strain gage
αr = coeficiente de temperatura da resistência elétrica da grade de medição
αb = coeficiente de dilatação térmica do objeto de medição
αm = coeficiente de dilatação térmica do material da grade de medição
k = fator do strain gage (às vezes chamado de fator k)
Δϑ = diferença de temperatura que provoca a tensão aparente

Medidas podem ser tomadas na fabricação dos strain gages para minimizar a tensão aparente. O coeficiente de temperatura da resistência eléctrica da grade de medição é adaptado por medidas técnicas de produção de modo que os termos da equação se anulam. Assim αr = (αm - αb) • k

Deste modo, existem diferentes tipos de strain gages, que são idênticos em termos de geometria e de valores de resistência, mas diferem em resposta à temperatura correspondente para o material no qual o extensômetro esta instalado. Resposta à temperatura combinando uma ampla série de coeficientes de expansão térmica está disponível (por exemplo o aço ferrítico com um coeficiente de expansão térmica de 10.8 • 10-6 / K ou de alumínio com 23 • 10-6 / K). O extensômetro é referido neste caso como um "strain gage com coeficiente de temperatura adaptado" ou mais sucintamente como um "strain gage auto-compensado".

No entanto, a equação para a deformação aparente é uma representação simplificada, contendo apenas componentes lineares. Erros residuais sob a forma de variáveis ​​não-linear, também devem ser levadas em consideração. Para manter o erro tão pequeno quanto possível, o erro residual é ajustado para o nível mais baixo possível, a cerca da variação da temperatura ambiente.

A deformação aparente é impresso em cada embalagem de extensômetros da HBM como um diagrama. Um polinômio também é especificado, geralmente um polinômio de terceiro grau. O polinômio pode ser utilizados para a compensação computacional. O diagrama abaixo mostra um exemplo de uma folha de dados de um strain gage.

Claro que esta compensação só funciona se o coeficiente de expansão térmica do material combina com a adaptação do extensômetro. Se esta condição for satisfeita e a temperatura medida em paralelo com as deformações, o erro residual pode ser removido através de cálculo com o software apropriado, tanto durante a medição (on-line) quanto após (pós-processamento).

Como a curva mostra, a necessidade de compensação para reduzir os erros de medição de temperatura relacionados aumenta à medida que a faixa de temperatura cresce. O contrário também influi: este tipo de compensação computacional não é necessário se a temperatura muda apenas ligeiramente durante a medição, por exemplo, porque a medição é rápida ou porque o ambiente é climatizado.

Compensação computacional do erro residual é ilustrado abaixo com base em um exemplo usando o software de aquisição de dados de medição catman AP.

Compensação de temperatura on-line com software de aquisição de dados catman AP

O software de aquisição de dados catman AP1 pode ser usado para definir parâmetros, ajustar os parâmetros de medição e representar os valores medidos, tudo com apenas alguns cliques do mouse. Parâmetros podem ser definidos para indicar ao software que a compensação de temperatura é exigida.

Para implementar a compensação de temperatura, as seguintes informações devem ser fornecidas ao software para cada canal a ser compensado:

  • Referenciar o correspondente canal de temperatura
  • Polinomial para a tensão aparente, conforme indicado na embalagem do strain gage

Canais com parâmetros idênticos para o canal de temperatura e o polinomial correspondente podem ser tratados juntos. Strain gages do mesmo lote de produção sempre tem polinômios idênticos.

Ao definir os canais de temperatura, note que a temperatura real do material deve ser medida no ponto de medição. Dependendo da aplicação, vários pontos de medição de temperatura podem ser necessários.

No catman AP, o diálogo de configuração para um strain gage pode ser acessado a partir da planilha central da aba "DAQ channels". Para fazer isso, marque os canais a serem adaptados e clique com o da direita para abrir o diálogo "Sensor adaptation".

Todas as definições relevantes para o extensômetro podem ser feitas nesta janela de configuração do strain gage.

Isso inclui principalmente o fator do gage. Contudo, outros parâmetros relacionados com a compensação de temperatura também devem ser ajustados:

  • Os coeficientes polinomiais (como indicado na embalagem do strain gage)
  • Coeficiente de expansão térmica do objeto de medição (de preferência idêntica a do strain gage adaptado)
  • Coeficiente de expansão térmica à qual o strain gage é combinado (tal como indicado na embalagem do strain gage)
  • Temperatura de referência (normalmente 20ºC)
  • Canal de temperatura correspondente

catman AP agora retorna diretamente os valores compensados medidos.

Conclusão

Quando extensômetros são utilizados em análises de esforços mecânicos, eles são frequentemente combinados para formar um circuito de 1/4 de ponte. Efeitos decorrentes da temperatura estão incluídos nas medições, desse modo, distorcendo os resultados da medição.

Para compensar estes efeitos, os strain gages estão disponíveis com uma variedade de combinações de respostas a temperatura. Isto compensa, pelo menos, os componentes de erros lineares.

O erro residual, devido ao componente não-linear, pode ser descrito por uma curva de erro e eliminado por processos matemáticos no software.

As seguintes condições devem ser atendidas para garantir a compensação bem sucedida dos efeitos decorrentes da temperatura:

  • The thermal expansion coefficient of the material must be known and a correspondingly adapted strain gauge must be used
  • A temperatura no ponto de medição deve ser medida em paralelo

  • Software com um algorítmo matemático correspondente deve ser utilizado

Esta descrição de compensação de temperatura on-line também se aplica ao menor pacote de software catman Easy. A única diferença é que, ao contrário catman AP, a compensação na faixa de análise (pós-processo) não é possível com catman Easy.

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