Série de artigos: Precisão de medição na análise experimental de tensão - 4ª parte

A tecnologia de strain gage tem sido otimizada ao longo das décadas com uma ampla gama de opções para compensação de erros. No entanto, ainda existem efeitos que têm um impacto negativo nas medições. O objetivo deste artigo é apontar as inúmeras (e, muitas vezes, evitáveis) fontes de erros quando utilizamos strain gages para análise experimental de tensões e proporcionar alguma ajuda na estimativa das incertezas de medição no início da fase de planejamento.

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.

Expansão térmica da amostra, resposta de temperatura do strain gage e raio da curvatura

Assume-se abaixo as circunstâncias desfavoráveis onde não será possível eliminar o efeito da temperatura com um strain gage adicional para compensação no circuito ponte.

O material do componente possui um coeficiente de expansão térmica. Esta expansão não será medida, já que é simplesmente o resultado da temperatura como uma grandeza influente. A grade de medição também possui um coeficiente de expansão térmica bem como um coeficiente de temperatura da resistência elétrica específica. Uma vez que apenas as deformações induzidas por carregamento são de interesse na análise de tensões, os strain gages são adaptados para a expansão térmica de materiais específicos. Entretanto, todos estes coeficientes de temperatura são por si só, uma função da temperatura, assim não haverá uma compensação exata. O desvio remanescente ΔƐ pode ser calculado através de polinômio. Os coeficientes deste polinômio são determinados de forma específica por lote e são especificados pelo fabricante na embalagem do strain gage.

Um exemplo de um strain gage (HBM tipo LY-6/120) pode ser visto aqui.

O desvio remanescente (deformação aparente) será determinado em μm/m. Para uma temperatura de 30°C, o resultado de deformação aparente é de -4,4μm/m.

Se a temperatura ambiente desvia mais significativamente da temperatura de referência (20°C) ou se o strain gage é ajustado de forma incorreta, maiores desvios acontecerão. Eles são de natureza sistêmica e podem ser eliminados por meio de cálculos (esta correção pode ser feita de forma online durante a medição). Por outro lado, a equação já mostra uma incerteza que aumenta na razão de 0,3μm/m por Kelvin de temperaturas diferentes de 20°C. A uma temperatura de 30°C, a incerteza do polinômio será de 3μm/m.

Os únicos requisitos para o cálculo de correção são o coeficiente de expansão térmica do material e a temperatura ambiente.

 

Auto aquecimento

Refere-se ao aumento da temperatura resultante da energia elétrica convertida no strain gage. A saída do calor é determinada conforme abaixo:

 

Paraum valor de 5V RMS de tensão de excitação de ponte e um strain gage de 120Ω, o calor resultante de saída é de 52mW. Um strain gage com um comprimento de grade de medição de 6mm, com uma fina camada de adesivo aplicada no aço ou alumínio é capaz de produzir calor suficiente para o objeto de medição. Uma pequena diferença de temperatura irá, no entanto, surgir entre o strain gage e o objeto de medição, o que levará a uma tensão aparente (ver acima):

 

Se a temperatura do strain gage ajustado é apenas um Kelvin acima da temperatura do material, já existe uma tensão aparente de -11μm/m (aço férritico) ou -23μm/m (alumínio). A incerteza de medição pode ser determinada aproximadamente com um simples experimento: a tensão de excitação é conectada enquanto a carga não é aplicada ao componente. Na fase de aumento de temperatura, o valor medido irá desviar ligeiramente (fuga de "zero"). A maior diferença entre os valores medidos durante este processo de compensação térmica corresponde aproximadamente ao máximo desvio esperado.

Tensões de excitação inferiores são uma solução (1V fornece apenas 2mW). Strain gages com maiores resistências são também vantajosos neste aspecto.

No caso de componentes com baixa condução de calor (plástico, etc.) e quando strain gages muito pequenos são usados, baixar a tensão de excitação é indispensável. Cuidado é sempre aconselhável quando trabalhar com rápidas mudanças de temperatura. Os efeitos de compensação resultantes do ajuste da folha de metal do strain gage para o material a ser analisado terá um tempo constante.

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:

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. 10).

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. 10: Dependência do desvio de zero na amplitude da tensão e numero de ciclos de carga.
Fig. 11: Strain gage instalado no concreto (suporte à estrutura sólida).

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

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.

Quer saber mais sobre este assunto?

Acesse a 1ª parte

Acesse a 2ª parte

Acesse a 3ª parte


Recomendado para você