Série de artigos: Precisão na medição em análise experimental de tensão - 1ª parte

A tecnologia de strain gages com suas amplas possibilidades para compensação de erros foi otimizada ao longo das décadas. Mas ainda existem influências que podem afetar as medições feitas com esta tecnologia. O objetivo deste artigo é apontar estas fontes de erro (que, eventualmente, podem ser evitadas) quando os strain gages são usados na análise experimental de tensão e prestar assistência de forma que as incertezas de medição possam ser avaliadas já na fase de projeto.

Medições "Zero-point related"

As medições zero-point related são, geralmente, entendidos como medições envolvendo comparação dos valores das medições atuais com os valores obtidos no início da medição durante várias semanas, meses ou, até mesmo, anos. Não é feito nenhum zero balancing da cadeia de medição neste intervalo. As medições zero-point related são muito mais críticas que medições non zero-point related, porque os zero drfts (resultado da temperatura e outras influências ambientais) são completamente incorporados nos resultados da medição.

Variações de zero são particularmente perigosos para pequenos valores de tensão, porque isto resulta em grandes desvios relativos em relação ao valor medido. Tensões que ocorrem em componentes de máquinas e estruturas, muitas vezes não chegam a 100µm/m, porque um altor fato de segurança é inserido. Variações de zero na ordem de 100 µm/m, neste caso, resultará em um erro de medição de 100%.

Devido ao fato de uma medição contínua de monitoramento estrutural é quase sempre uma medição zero-point related, uma atenção especial necessita ser dada para proteger os strain gages de influências ambientais. É essencial que o ponto de medição ofereça estabilidade a longo prazo. Uma vez que grandes variações de temperatura devem ser esperadas, os coeficientes de temperatura precisam ser pequenos. Baixas amplitudes de sinais de medição em componentes de grande dimensão podem ser sobrepostos pelos efeitos resultantes de uma instalação deficiente do strain gage. As eletrônicas de medição respondem para cada mudança de resistência com uma alteração do valor mostrado. Isso pode ocorrer devido à mudança na grandeza a ser medida, bem como pela infiltração de humidade. O valor medido atual, bem como o sinal agregado de todas as proporções de tensão no strain gage, não permite que seja feita qualquer distinção entre as proporções desejadas ou indesejadas de tensão.

Medições "non zero-point related"

Medições non zero-point related são entendidas como tarefas de medição que permitem zermento de medições sem que haja qualquer perda de informação em determinados períodos. Apenas a variação da grandeza medida após o zeramento é relevante. O zeramento é muitas vezes possível em testes off load (muitas vezes, na forma de medição de curto prazo). Logo, eventuais variações de zero são totalmente insignificantes. 

Tensões muito altas geralmente acontecem em testes destrutivos, indicando a necessidade de strain gages com faixas de medição adequadas. É constrangedor e caro quando, após semanas de preparação, torna-se óbvio que os strain gages instalados no componente falharam.

Medições em laboratórios e em salas de ensaios são considerados não-críticas porque as condições ambientais (temperatura e umidade) são controladas.

Medições em ambientes externos e em câmaras climaticas com alto índice de umidade e altas variações de temperatura, no entretanto, são muito críticas.

 

 

Fig. 1: Diagrama do fluxo do sinal de um ponto de medição de strain gage sob influência de grandezas

Os componentes da cadeia de medição

Para fins de esclarecimento e compreensão, apenas o estado de tensão uniaxial será considerado abaixo. O diagrama mostra o fluxo do sinal de medição. Também mostra as grandezas influentes e seus efeitos na correlação com importantes características da cadeia de medição. Estas características e efeitos são mostradas em azul se puderem afetar o ponto zero (zero point).

O objeto da medição (DUT)

Quando o objeto da medição é carregado, a tensão σ é exercida no material. Isto faz com que a tensão no material comporte-se de forma inversamente proporcional ao módulo de elasticidade. Esta deformação do material pode ser determinada como uma superfície deformada por meio de strain gage (SG).

O módulo de elasticidade mostra uma incerteza (tolerância do módulo de elasticidade). Extensas análises em aço estrutural mostraram um coeficiente de variação de 4,5%. Como o módulo de elasticidade também depende da temperatura, teremos assim o coeficiente da temperatura do módulo de elasticidade.

Se o strain gage é colado à uma superfície (por exemplo, uma haste de flexão) que se estende de forma convexa, a deformação na grade de medição é maior que na superfície do componente.

A razão para isso tem a ver com a distância a partir da fibra neutra: Quanto mais a grade de medição se afasta desta fibra neutra e mais fino o componente, o valor de medição se torna mais forte. Pequenos rolos são lançados pela espessura do adesivo e a estrutura do strain gage. A mudança na temperatura ∆t atuando junto com o coeficiente de temperatura da expansão do material também causa expansão térmica, que é significativo para medições relacionadas a ponto zero (zero-point). Elastic after-effects (causadas pelo processo de relaxação na microestrutura do material) fazem com que a deformação do material diminua um pouco depois do carregamento espontâneo. A fórmula dada acima, portanto, mostra várias incertezas.

Índice de fórmulas

A instalação

A grandeza que queremos medir é a deformação do material. Num caso ideal, esta deformação seria idêntica à deformação da grade do strain gage:

Na prática, no entanto, o alinhamento e outros erros de instalação acabam ocorrendo apesar do grande cuidado. O strain gage, como um elemento de mola sujeito à tensão mecânica, arrasta-se para trás ao longo de suas zonas marginais externas depois da deformação espontânea devido à carga de tensão e também dependendo das propriedades reológicas do adesivo e do portador de strain gage. Também exibe uma ligeira histerese (O efeito do strain gage "retornando" é usado na construção de sensores para minimizar os resíduos do material, que produz uma deformação adicional indesejável, ajustando os comprimentos das pontes transversais insensíveis à deformação no strain gage). Esta compensação só pode ser implementada na análise experimental de tensão com uma grande quantidade de esforço e despesas e geralmente não é preciso. O aumento da deformação também pode acontecer devdo à uma superficie de instalação curva (veja acima).

Se os pontos de medição não são protegidos de forma adequada contra umidade, o adesivo e o portador podem absorver a umidade e inchar. Isso será expresso como uma fração de erro sob a forma de uma deformação específica não-intencional no strain gage.

O teor da umidade também afeta a estabilidade dos valores medidos como em todos os métodos de medição (veja abaixo Strain gage: Resistência de isolamento). Especialmente com as medições relacionadas ao ponto zero (zero-point), um engenheiro de ensaios poderá não ter certezas se estiver observando a deformação do material relevante ou se é simplesmente um dos outros efeitos descritos acima. Por conta disso, a proteção a pontos de medição é uma pré-condição essencial para resultados confiáveis, especialmente com medições relacionadas a ponto zero (zero-point).

Todos os fenômenos descritos aqui produzem o efeito que a deformação da grade de medição não corresponde exatamente à deformação do material na direção da tensão.

O strain gage

O strain gage converte a deformação na grande de medição em uma mudança relativa na resistência proporcional à deformação.

A tolerância do fator K e sua sensibilidade à temperatura contribui para a incerteza.

Deve-se notar que, se a deformação não é distribuída homogeneamente, a medida da deformação sobre a grade de medição é convertida para uma mudança relativa na resistência. Como resultado disso, se o comprimento do strain gage é escolhido de forma errada, os valores medidos para deformação e tensão de material serão muito pequenos ou muito grandes. Isso é especialmente importante quando se determina os valores máximos dos picos de tensão mecânica metrologicamente. O valor da tensão máxima que ocorreu é, geralmente, de interesse.

A resposta da temperatura do strain gage afeta o ponto zero. Possui um impacto em grandes diferenças de temperatura e, especialmente, como strain gages que são mal-adaptados para o coeficiente de expansão térmica do material (DUT), uma vez que eles interferem na ação dos efeitos de compensação. Auto-aquecimento (devido à energia elétrica transformada em strain gage) possui um resultado simular, pois leva a uma diferença de temperatura entre o material e o strain gage. Este é o motivo pelo qual é possível se definir tensões muito baixas em amplificadores de medição modernos. Mesmo as saídas de tensão de ponte reduzida podem ser amplificadas com precisão pelos dispositivos. Aconselha-se precaução, principalmente, com materiais finos e materiais que mal dissipam o calor.

No caso da deformação alternar de forma freqüente com uma grande amplitude (> 1500 µm/m), pode ocorrer fadiga no material da grade de medição, resultando em um desvio de zero.

Uma sensibilidade transversal do strain gage está presente, mas não produz quaisquer desvios significativos. No estado de tensão uniaxial, a sensibilidade transversal é levada em consideração pela determinação experimental do fator K devido à forma como o fator é definido.

Um desvio da linearidade de até 1000 µm/m é insignificante para deformações

A penetração da umidade reduz as resistências de isolamento, o que, por sua vez, causa um shunt da resistência às conexões do strain gage e é geralmente refletido pela instablidade na exibição de valores medidos. Strain gages com baixa amperagem são menos sensíveis à influência da umidade.

O amplificador de medição

O valor da entrada no amplificador de medição é a carga relativa na resistência do strain gage.

Uma vez que é muito pequena (a 1000 µm/m e com um fator K de 2 é apenas 0,2% ou 0,24Ω de 120Ω), há um complemento para a ponte de Wheatstone (circuito com ¼ de ponte) na análise experimental de tensão por meio de três resistores fixados (normalmente no amplificador de medição). A vantagem de circuitos com ½ ponte ou ponte inteira e maneiras de usá-los para reduzir incertezas de medição não será tratado aqui.

A conexão de um único strain gage em um circuito com ¼ de ponte é considerado aqui. Normalmente a correlação entre uma ponte desbalanceada e a carga relativa é descrita com

A correlação atual mostra um pequeno grau de não-linearidade, que será examinado mais detalhadamente a seguir.

O amplificador de medições fornece tensão para o circuito ponte, amplifica a tensão de saída da ponte e gera o valor medido.

Intencionalmente deixados de fora das considerações aqui estão os erros de medição que podem acontecer durante o longo fornecimento de chumbo, campos de interferência, tensões termoelétricas e os próprios eletrônicos de medição.

Estes podem ser evitados quase que totalmente usando tecnologias bem conhecidas (técnicas de multiwire, circuitos estendidos Kreuzer, projetos de proteção, modernos amplificadores de medição TF).

Tolerância do módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade (especificação do fabricante) exibe uma incerteza (tolerância do módulo de elasticidade) que pode ser de vários pontos percentuais. Determinar de forma precisa o módulo de elasticidade em um laboratório adequado é caro e, nem sempre, pode ser implementado.

Nas medições experimentais de tensão, ou como às vezes nos referimos à análise experimental de tensão (ESA), a incerteza relativa do módulo de elasticidade produz uma incerteza relativa na tensão mecânica da mesma quantidade.

Isso significa que, se o material possui um módulo de elasticidade com um valor conhecido dentro de uma incerteza de 5%, este fato, por si só, produz uma incerteza de 5% no estado de tensão mecânica.

O módulo de elasticidade também depende da temperatura como uma grandeza de influência e o coeficiente de temperatura (TC) do módulo de elasticidade (para o aço ≈ -2 x 10-4/K). A alteração relativa no módulo de elasticidade é derivada a partir do produto:

 

Isso é equivalente à incerteza adicional da tensão mecânica.

Exemplo: Se o módulo de elasticidade do aço é para uma temperatura de 23ºC e a medição é realizada a 33ºC, o módulo de elasticidade cai 0,2%. Se este efeito não é compensado por cálculos, haverá uma derivação de 0,2% junto à tolerância especificada para o módulo de elasticidade. Note que o TC do módulo de elasticidade é, por si só, dependente da temperatura, o que significa que este efeito nunca pode ser completamente compensado.

Índice de fórmulas

Estimando incertezas de medição para medições não relativas à zero

Um elemento importante deste procedimento de medição é que o valor de zero é desnecessário para análise dos resultados de medição. Isso ocorre porque somente as mudanças na grandeza medida são de interesse e o valor de zero não deriva durante a medição (típico para ensaios de medição relativamente curtos). Por exemplo: crash tests, ensaios de tração e ensaios de cargas leves.

Efeitos residuais no material e o creep do strain gage tem alguma importância em medições não relativas a zero e são abordados nesta seção. Por outro lado, fenômenos como dilatação térmica, expansão do adesivo, queda da resistência de isolação, resposta de temperatura do strain gage e sua fadiga em medições não relativas à zero são quase que totalmente irrelevantes.

Certamente a resistência não cairá tão dramaticamente durante um breve ensaio de carga de resistência de isolação, onde poderia resultar em uma falha no ponto de medição.

Raio para objetos de medição sujeitos a sobrecargas de flexão (aumento da tensão)

Fig. 2: Strain gage no objeto de medição sujeito à carga de flexão.

Se o strain gage está localizado em um componente que é flexionado longitudinalmente à grade de medição, a tensão desta área se desvia da tensão da superfície do componente (fig. 2). Os valores medidos obtidos são maiores que a deformação real. Quanto menor o raio da curvatura e maior a distância da área de medição da superfície do componente, maior o efeito.

Se o strain gage está localizado na área côncava, os valores medidos também seriam muito grandes em termos de quantidade. O fator que descreve o erro de medição seria o mesmo. Isso também resulta em um desvio relativo multiplicado pelo valor medido. A equação para cálculo é a seguinte:

Para uma distância média de 100μm da área de medição até a superfície do componente e um raio de curvatura de 100mm, o aumento do resultado na tensão é de 1/1000, relativo ao valor real de tensão. A tensão real do componente, neste exemplo, é 0,1% mais baixa que a tensão medida. Isso significa que a tensão medida é 0,1% maior. Claramente este erro de medição é relevante apenas para pequenos raios de curvatura.

Efeitos residuais elásticos

Em muitos materiais, a tensão ainda aumenta após o carregamento mecânico espontâneo. Este fenômeno é, em grande parte, completo após 30 minutos (aço a uma temperatura de 23°C) e também acontece quando a carga é removida. O quociente da quantidade desta tensão adicional e da tensão espontânea depende muito do material. Os efeitos residuais do material, assim, produzem um erro adicional de medição (positivo). Isso só acontece quando realiza aquisição de valores de tensão. Este desvio pode, portanto, ser quase que totalmente evitado em muitas tarefas de medição.

Entretanto, se o valor medido é adquirido muito tempo depois que a carga é aplicada e a tensão do material aumentou 1% (relativo à tensão espontânea), o resultado será que o valor medido para a tensão do material é 1% maior.

Desalinhamento do strain gage

Se o strain gage não estiver exatamente alinhado na direção da tensão do material (estado de tensão uniaxial), um erro negativo de medição é produzido. A tensão medida irá, então, ser menor que a tensão do material. O erro relativo de tensão é determinado pela seguinte fórmula: 

Um erro de alinhamento de 5 graus e uma taxa de Poisson de 0,3 (aço) resulta em um erro de -1% na medição de tensão. Assim, a tensão atual e a tensão do material são 1% maior.

Creep do strain gage

Depois que a tensão do material é induzida de forma espontânea, a área de medição da deformação do strain gage se arrasta um pouco para trás. O processo, determinado inicialmente pelas propriedades do adesivo e pela geometria do strain gage (pequenas áreas de medição são críticas; strain gages com comprimentos reversos muito longos não sofrem com este efeito), também é dependente da temperatura. Depois do retorno do creep, a tensão da área é um pouco menor que a tensão do material. O strain gage, muitas vezes usado na ESA (modelo LY11-6/120 da HBM com uma área de medição ativa de 6mm) quando usado com adesivo Z70 (da HBM) a uma temperatura de 23°C tem um retorno de deformação de, aproximadamente, 0,1% dentro de uma hora. Isso é equivalente à um erro negativo de medição de -0,1% relativo à tensão medida. Claro que o desvio será menor se o valor medido é determinado imediatamente após a carga espontânea. Devido ao sinal negativo, a deformação do strain gage compensa, pelo menos parcialmente, os efeitos residuais elásticos dos materiais e podem, portanto, ser completamente ignoradas na ESA. Entretanto, aconselhamos cautela ao usar outros adesivos em altas temperaturas. Por exemplo, o adesivo X60 (da HBM), aplicado a uma temperatura de 70°C com uma tensão de 2.000μm/m, resulta em um desvio de -5% depois de apenas uma hora.

Histerese do strain gage

O mesmo se aplica à histerese: pequenas áreas de medição tendem a serem críticas e o adesivo possui algum efeito. A histerese para o strain gage modelo LY11-6/120 é de apenas 0,1% com uma tensão de ±1.000μm/m se o adesivo Z70 for usado. Por conseguinte, é insignificante.

Se um strain gage bem pequeno (LY11-0.6/120) com o comprimento da área de medição ativa de 0,6mm precisa ser usado, a histerese aumenta e, com isso, a incerteza da deformação ou medição de tensão a 1%.

O Gauge Factor

Tolerância do gauge factor

Supõe-se que a cadeia de medição é ajustada exatamente para o valor nominal do gauge factor (conforme especificado pelo fabricante do pacote de strain gages). Este fator descreve a correlação entre a mudança na tensão e a mudança na resistência relativa. Isso é determinado experimentalmente pelo fabricante. A incerteza do gauge factor é, geralmente, de 1%. Este gauge factor também está especificado na embalagem. Produz o mesmo grau relativo de incerteza tanto nas medições de deformação quanto de tensão.

Coeficiente de temperatura (TC) do gauge factor

O gauge factor é dependente da temperatura. O sinal e a amplitude da dependência são determinados pela liga da grade de medição. O fato que o TC do gauge factor é por si só dependente da temperatura pode ser ignorado para fins de ESA. O TC para uma grade de medição feita de Constantan é de aproximadamente 0,01% por Kelvin. Assim, o gauge factor decresce cerca de 0,1% com um aumento de temperatura de 10K, o que é geralmente desprezível. Se as medições fossem realizadas a 33°C, os valores de deformação e tensão desviariam apenas 0,1% para cima.

Entretanto, a 120°C, seria 1%, o que vale a pena ser considerado.

Comprimento da Grade de Medição

Como geralmente se entende, um strain gage integra as tensões sob sua superfície ativa. Se o campo de tensão sob a superfície não é homogêneo, a mudança relativa na resistência não corresponderá à maior tensão local, mas sim à tensão média sob a área de medição ativa. Isso é fatal, porque as maiores tensões que são de interesse. Os valores medidos, por conseguinte, desviam para baixo dos valores máximos desejados, levando a desvios negativos.

Uma vez que este fenômeno é bem conhecido, assim como as contramedidas adequadas (pequena área de medição), os principais erros raramente acontecem em aplicações práticas. No entanto, vamos considerar um exemplo: A medição é aplicada a uma faixa de tensão no início do feixe. O strain gage adquire a tensão média sob sua grade de medição (fig. 3). As deformações se comportam como as tensões:

O valor máximo de tensão que é realmente procurado poderia ser determinado de forma fácil neste caso com um cálculo de correção. Se isso não for feito, um desvio do resultado da medição, a partir da tensão máxima, será produzido.

Este desvio relativo é:

Uma área de medição com um comprimento ativo menor que 2% de l2 é usada no exemplo acima. Seu desvio cai para menos de 1% do valor medido.

Em última análise, a relação entre a máxima deformação e a deformação medida sempre depende da distribuição desta deformação sob a área medida. Se isso for conhecido a partir de Cálculos por Elementos Finitos, o máximo valor desejado pode ser calculado a partir da média aritmética da tensão.

É claro que desvios acontecerão se o strain gage for posicionado de forma incorreta. Isso deve ser evitado.

Fig. 3: Strain gage para aquisição da maior tensão na viga de flexão.
Fig. 4: Instalação de strain gage em um ambiente adverso.

Desvios de Linearidade

Desvio de linearidade do strain gage

Strain gages com componentes de medição adequados (Constantan, Karma, Nichrome V, Platina-tungstênio) exibem excelente linearidade. Embora para grandes deformações, desvios significativos podem ser demonstrados nas grades de medição de Constantan. A curva estatística característica pode ser muito bem descrita (empiricamente) com uma equação de segundo grau:

Se as deformações fossem determinadas com a relação

não haveria nenhum desvio de linearidade. Entretanto, como o elemento da função de segundo grau é simplesmente ignorado nas aplicações práticas, o erro resultante deveria ser indicado aqui. O desvio relativo do valor de deformação determinado a partir do valor real é tão grande quanto a própria deformação:

Para deformações de até 1.000μm/m, o valor do desvio de deformação relativa não excede 0,1%. Isso é equivalente a 1μm/m, o que é insignificante.

O desvio de linearidade apenas se torna significativo em grandes deformações:

10.000μm/m resultam em 1%
100.000μm/m resultam em 10%

Em grande medida, este efeito é felizmente compensado pelo desvio de linearidade do circuito de ¼ de ponte.

Desvio de linearidade do circuito de ¼ de ponte

Pequenas mudanças relativas na resistência são comumente analisadas com um circuito de ponte de Wheatstone. Como mencionado acima, é usado apenas um strain gage por ponto de medição na ESA. Assim, as outras resistências da ponte são independentes da tensão. A correta relação para a taxa de tensão, neste caso, é:

Embora a relação seja não linear, a linearidade é assumida em aplicações práticas de medição (sendo conhecido este fato ou não) e a equação de aproximação

é usada. O desvio relativo resultante desta simplificação pode ser calculado pela equação

Uma deformação de 1.000μm/m (onde k=2) resulta em uma alteração de 0,2% na resistência relativa.

O erro de medição relativo conforme determinado com a equação 17 é -0,1%. Isso equivale a um desvio absoluto de -1μm/m. O desvio do valor real é insignificante.

Desvios de linearidade mensuráveis ocorrem em grandes deformações, conforme mencionado abaixo:

10.000μm/m resultam em um desvio de -1%,
100.000μm/m resultam em um desvio de -9,1%.

Quando são usados strain gages Constantan (não linearidade similar em termos de grandeza, mas com sinal oposto), os dois desvios, em grande parte, se anulam e, por consequência, não precisam ser mais considerados.

Note que, no entanto, nenhuma compensação é perfeita, especialmente levando em conta que o gauge factor desvia um pouco dos 2 e a curva estática característica não coincide exatamente com a equação empírica 12.

Resumo das incertezas parciais

As incertezas individuais são difíceis de correlacionar entre si. Entretanto, na medida em que se consegue correlacioná-las (efeitos do creep dos materiais e do strain gage, desvio de linearidade do strain gage e circuito de ¼ de ponte), seus efeitos se anulam mutuamente até certo ponto. Portanto, é possível combinar incertezas individuais com adição de Pitágoras. Os valores em negrito acima são usados para atingir um resultado para o exemplo.

A incerteza da medição de deformação é um pouco menos de 3%. A medição da tensão alcança quase 6% de valor medido.

Esta porcentagem multiplicada pelo valor medido fornece um desvio em μm/m ou N/mm2. A incerteza do módulo de elasticidade é geralmente responsável pela maior quantidade de erro em medições não relativas a zero na ESA. Incertezas adicionais devem ser consideradas em medições relacionadas a zero.

Estimando as incertezas de medição para medições relacionadas ao ponto zero

As medições onde o ponto zero é importante são tipicamente de longo prazo, seja em grandes estruturas como edifício ou mesmo em ensaios de fadiga em materiais e/ou componentes. Se o ponto zero mudar durante as tarefas de medição deste tipo, o resultado é um erro de medição adicional. As incertezas de medição já discutidas na última parte desta série de artigos deve ser adicionadas à estas observadas nesta seção.

Inchaço do adesivo e da grade portadora de medição

A principal causa disso é a alta mobilidade das moléculas de água e as propriedades higroscópicas dos adesivos e dos materiais portadores. O efeito é uma fuga de "zero" que não é claramente visível (ou diferente das tensões do material). Pode assumir valores consideráveis. Uma tensão é medida aonde não existe, pelo menos no componente sendo examinado. Esta tensão parasita é apenas parcialmente reversível, o que é provavelmente devido à histerese de absorção. Infelizmente não é possível "pegar um secador de cabelos" e expulsar as moléculas de água. A velocidade à qual o valor medido desvia depende da proteção do ponto de medição e das condições ambientais. A constante do tempo pode estar na faixa de muitas horas. Uma alta temperatura e uma alta umidade relativa são especialmente críticas. Infelizmente, não existem fórmulas ou números concretos a serem apresentados aqui.

Resistência de isolamento

Resíduo do material de fluxo também pode absorver moléculas de água. Isso aparece nas aplicações práticas, como uma "respiração" que muitas vezes é perceptível nos valores medidos flutuantes devido a um desvio ou causa similar. Técnicos experientes irão reconhecer o aviso e limpar todos os pontos de contato de forma meticulosa. Retirar o resíduo também é possível em algumas circunstâncias. Entretanto, todas estas contramedidas exige que as partes úmidas ainda não estejam seladas sob a capa protetora do ponto de medição, o que, muitas vezes, estão por uma boa razão. A prática tem mostrado que quando o ponto de medição está preparado para cobertura, deve-se aquecê-lo a alguns graus Kelvin comparado com a temperatura ambiente local, e então cobri-lo imediatamente. Isso irá excluir a possibilidade de posterior formação de condensação sob a proteção. Se as resistências de isolamento são muito baixas, acontecerá a fuga de "zero" dos valores medidos. A resistência de isolamento dentro do circuito ponte é extremamente crítica neste caso. Isolação elétrica falha dos contatos do strain gage entre si é comparável a um shunt de resistência. Não pode ser medido diretamente, mas devido à sua natureza, é similar em magnitude à resistência de isolamento. A correlação entre a deformação aparente e o shunt é a seguinte:

 data-htmlarea-file-uid=

Esta equação mostra que o efeito é menor com strain gages de alta resistência. Os seguintes erros de medição são determinados para strain gages de 120Ω (com gauge factor=2):

Sob circunstâncias "normais", resistências de isolamento maiores que 50MΩ podem ser atingidas e desvios menores que 1,2μm/m são desprezíveis.

A 500kΩ e com um valor medido de 1000 μm/m, o erro a zero já seria de -12%! Isso mostra claramente que uma queda significante na resistência de isolamento poderia causar a falha do ponto de medição. Strain gages possuem resistência de isolamento de vários GΩ.

Condições de alta umidade relativa e de alta temperatura ao mesmo tempo (como vapor saturado) são críticas porque levam a uma alta pressão do valor de água. As minúsculas moléculas de água se acumulam e acabam por penetrar na proteção do ponto de medição. É impossível prever, sem um ensaio, se o ponto de medição irá falhar depois de apenas alguns dias ou vários anos.

Fadiga

Sinais de fadiga na grade de medição do strain gage aparecem durante cargas dinâmicas de componentes que são expressos em uma fuga de "zero" (tensão aparente no material). Quanto maior a amplitude da tensão alternada e quanto maior o número de ciclos de carga, maior o efeito (fig. 5).

A instalação e a média aritmética da tensão também afeta a fuga de "zero". Se a média é negativa, a vida da fadiga aumenta. Se o valor é positivo, ela se deteriora. Praticamente nenhuma fuga de "zero" deve ser esperada para tensões alternadas com uma amplitude de até 1000μm/m. Maiores amplitudes são mais críticas. Um erro de até 10μm/m no zero deve ser esperado para:

  • 1500μm/m e aprox. 2 milhões de ciclos de carga
  • 2000μm/m e aprox. 100.000 ciclos de carga
  • 2500μm/m e aprox. 4000 ciclos de carga
  • 3000μm/m e aprox. 100 ciclos de carga

Note que a amostra de ensaio também é submetida à fadiga. Se a resistência da amostra às cargas alternadas for maior que a resistência do próprio strain gage, deve-se considerar o uso de strain gages óticos (Tecnologia FBG).

Fig. 5: Dependência do desvio de zero na amplitude da tensão e numero de ciclos de carga.

Resumo de todas as incertezas parciais

Enquanto os desvios na seção 3.3 são multiplicados e são indicados como porcentagens do valor medido, os desvios nesta seção tem um efeito de adição. A unidade de medição é μm/m e são praticamente independentes do valor medido. Se o desvio relativo é calculado com a equação

o valor é comparável àqueles na seção 3.3.

Se os valores em negrito acima são combinados usando o Teorema de Pitágoras, o resultado é 16,01μm/m. Uma vez que as incertezas de medição não devem ser arredondadas, a incerteza para o ponto zero é 17μm/m. Com uma tensão de 1000μm/m, o desvio expresso como porcentagem é de 1,7%, o que, certamente, é razoável. É evidente que é crítico com pequenas tensões: 17μm/m de 100μm/m já é 17%.

Agora, a incerteza de medição do ponto zero (1,7% ou 17%) ainda deve ser adicionada à incerteza da seção 3.3 (3% para medição de tensão).

 

O resultado do Teorema de Pitágoras é:

  • 4% com um valor medido de 1000μm/m
  • 18% com um valor medido de 100μm/m

Normalmente a tensão mecânica é uma grandeza real que pode ser medida, assim sua incerteza pode ser estimada. A incerteza da medição de tensão calculada na seção 3.3 é 6%. Incluindo a incerteza do ponto zero (1,7% ou 17%) com o Teorema de Pitágoras, o resultado é:

  • 7% com uma tensão de 1000μm/m
  • 19% com uma tensão de 100μm/m

Grandes erros de medição relativos acontecem com tarefas de medição relacionadas ao ponto zero, especialmente com pequenas tensões.

Strain gage instalado em uma estrutura de metal.
Strain gage instalado na cabeça do rotor de um helicóptero.

Strain gages instalados

Strain gage instalado em um trilho.
Pontos de medição de strain gage na plataforma de pesquisa FINO 1 são preparados para uso submerso no Mar do Norte.
Strain gage instalado em um material compósito (placa de circuito impresso).

O efeito do instalador

Assumiu-se até agora que a instalação do ponto de medição do strain gage foi bem planejada e executada de forma clara. Por essa razão, apenas alguns dos desvios individuais nos exemplos acima excederam o intervalo definido. Embora, infelizmente, é necessário salientar que, se a instalação é mal executada, os erros de medição podem assumir grandes valores arbitrários. Imagine que um strain gage muito grande foi usado para medir a tensão de um entalhe ou chanfro, ou que as resistências de contato do strain gage oscilaram de 0,24Ω (o equivalente a um erro de tensão de 1000μm/m para um strain gage de 120Ω).

Especialmente nas medições relacionadas ao ponto zero em grandes períodos de tempo, a importância da proteção nos pontos de medição não pode ser subestimada. Um excelente exemplo são os 44 pontos de medição de strain gages na plataforma de pesquisa FINO 1 (altura total de 129m) no Mar do Norte (45km ao norte da Ilha Borkum). Os strain gages estão localizados de 5m a 25m abaixo da superfície do oceano. Sua tarefa era medir tensões de carga na estrutura de suporte da plataforma, causadas por bate-estacas, ondas e vento. Após dois anos nas águas do Mar do Norte, 42 pontos de medição ainda estavam em funcionamento. 

Outro erro ocorre se o strain gage possui apenas uma conexão parcial interna com a superfície do componente a ser analisado. As causas podem incluir: manuseio inadequado ou falha na limpeza da superfície de aplicação e do adesivo sobreposto. Estas causas devem e podem ser evitadas. O teste da borracha geralmente esclarece a situação. Embora possa ser possível dispensar a proteção do ponto de medição para medições de curta duração (ensaios de tração), a instalação de strain gages requer uma abordagem consciente e, com frequência, uma boa medida de experiência. Provavelmente não há outro método de medição onde o conhecimento e a experiência da pessoa que executa a tarefa desempenha um papel tão importante. É por isso que as empresas e institutos estão cada vez mais aproveitando a possibilidade de certificar seu pessoal de acordo com VDI/VDE/GESA 2636 em vários níveis de qualificação.

Imagem e projeto da plataforma de pesquisa FINO 1. Cortesia da GL Garrad Hassan.

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