Como garantir que uma certa força seja a mesma em todos os lugares

Os sensores de força são parte do equipamento encontrado em quase todos os laboratórios que lidam com sistemas mecânicos. Os transdutores de força também são instalados em máquinas de teste de materiais e outras máquinas de teste para registrar o sinal de entrada para controle e o sinal de força que será usado mais tarde para avaliar os resultados.

Os dois princípios dos transdutores de força

Os sensores baseados em strain gauge consistem em um elemento de mola, no qual os medidores de deformação (SG) estão instalados. Quando uma força é aplicada, ocorre uma deformação, que os strain gauges convertem para uma mudança no valor de resistência. É bastante comum usar quatro strain gauges conectados em um circuito de ponte, o que então converte a mudança de resistência em uma tensão elétrica mensurável .Uma tensão de operação (tensão de excitação) deve sempre ser aplicada aos sensores de strain gauge.

A construção de sensores piezoelétricos baseia-se em cristais que liberam uma carga quando influenciados por uma força. Existe uma relação linear entre a carga e a força. A carga é convertida em um sinal de tensão por circuitos eletrônicos apropriados.

Os transdutores de força quase sempre são fornecidos com um documento contendo informações sobre a sensibilidade do sensor. O sensor foi exposto a uma força conhecida na fábrica e o sinal de saída foi medido com esta força efetiva. O resultado desse processo de "calibração" é registrado no documento relevante. O valor de saída na força máxima, ou vários valores medidos em diferentes forças, são especificados aqui de acordo com a qualidade e o preço do sensor. A calibração é uma das etapas mais importantes na produção de um sensor e determina crucialmente o valor do transdutor de força. Claro, medidas posteriores nunca podem ser mais precisas do que a calibração usada para estabelecer os valores característicos do sensor.

Os fabricantes de transdutores de força usam dispositivos de carregamento específicos para gerar com precisão esta força e assim, criar o pré-requisito para essas medidas de calibração. HBM tem máquinas de carregamento disponíveis para forças entre 10 N e 5 MN.

Os dispositivos de carregamento

Os requisitos da máquina de carregamento são extremamente rigorosos. As máquinas da HBM, por exemplo, oferecem precisões de até 0,005%, com base no valor da força particular. Esses dados não são baseados na força máxima que pode ser gerada pela máquina, mas na força aplicada, qualquer que seja a força sendo aplicada pela máquina. Assim, com uma força de 1000 N, um desvio de 0,05 N é aceitável se a máquina fornecer uma precisão de 0,005%. Os dispositivos de carregamento diferem de acordo com o princípio de funcionamento.

Forças menores são geradas por meio de pesos

Os pesos são freqüentemente usados para forças menores, pois sua massa é conhecida com precisão e os sensores de força a serem testados podem ser carregados com eles. Essas máquinas são chamadas máquinas de carga morta. O efeito dessas massas depende da aceleração gravitacional na localização específica, é claro. Além disso, a flutuabilidade é vivida pelas massas na atmosfera. Esta flutuabilidade da força depende da densidade das unidades de massa e da pressão do ar. A HBM tem uma máquina de carga morta com uma força de teste máxima de 240 kN, o Instituto Nacional de Metrologia Alemã (PTB) tem acesso a uma máquina de carga morta com uma força de teste de 2 MN.

A geometria dessas máquinas de carregamento nunca deve ser alterada sob carga, pois, de outra forma, a força não será mais aplicada uniformemente ao sensor. Isso causaria erros de medição significativos, mesmo que as alterações não sejam imediatamente visíveis. As massas consistem em materiais que quimicamente, são muito inertes. No entanto, é essencial garantir que as mudanças não possam resultar de reações com o meio ambiente (por exemplo, oxidação). Verificações regulares também garantem que a função da máquina não seja afetada negativamente por manutenção incorreta ou falta de limpeza (depósitos de poeira nas massas).

calibration force-25KN 003 — Medição de calibração na máquina de 25 kN na HBM.

Uma máquina hidráulica é usada para forças maiores

Outros dispositivos de carregamento geram força hidráulica. Isto é particularmente útil se a força tiver que ser extremamente grande, pois, de outra forma, seria necessário ter massas gigantes disponíveis no site. Um transdutor de força extremamente preciso está conectado entre o equipamento sob teste e o sistema hidráulico. Este transdutor de força de precisão é a referência que é utilizada para estabelecer a força que está sendo exercida no equipamento sob teste. Portanto, é importante verificar regularmente se o sensor de referência integrado ainda está funcionando corretamente.

O quilograma original

Todas as máquinas de força, em última instância, tomam sua referência do quilograma original, que é armazenado no BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) em Paris. Existem várias cópias desta unidade de massa existente. Todas as massas estão, portanto, conectadas a um artefato. Portanto, é um desafio técnico exigente tirar conclusões sobre uma pilha de massa com um peso total de 200 t, de uma massa de 1 kg.

Como você pode certificar-se de que essas máquinas medem adequadamente e, assim, garantir que a calibração seja sempre confiável?

É importante que os resultados das medições sejam reprodutíveis: esta é a única maneira de garantir que um resultado de medição estabelecido em determinado local também possa ser usado em outro local (dentro da incerteza com que o resultado foi estabelecido). Isso significa que os sensores de força devem ser calibrados da mesma maneira em todos os lugares. Uma força específica também deve ser sempre igual em uma comparação internacional. Isso resulta na exigência de que todas as máquinas sejam regularmente verificadas, ou seja, comparadas com um padrão de medição que é considerado exato.

Os institutos nacionais de metrologia são responsáveis por garantir que uma certa força seja a mesma em todos os lugares e constitua um pré-requisito, além de fornecer uma definição para essa força. Na Alemanha, este é o German National Metrology Institute (PTB). Essas instalações possuem as máquinas de carregamento das quais todos os outros fazem referência.

Os institutos se comparam com outros institutos

Para garantir que um Newton seja sempre um Newton em todo o mundo, os institutos também se comparam com outros institutos. Você pode remover os sensores de referência e instalá-los nos institutos nacionais nas máquinas de carregamento precisas e remover as pilhas de massa, de modo que possam ser comparadas com os padrões nacionais de medição. Nós evitamos fazê-lo, pois a remoção e instalação de tecnologia de medição altamente sensível está associada à incerteza e existem riscos associados ao seu transporte.

É por isso que os chamados dispositivos de medição de transferência são usados. Estes sensores de força são projetados especificamente para alcançar a melhor repetibilidade possível, mesmo que sejam removidos e colocados novamente. É possível atingir uma repetibilidade de medição de menos de 0,002%, de modo que dispositivos de carregamento extremamente precisos também possam ser conectados ao padrão nacional. Uma máquina de carregamento está agora conectada ao padrão nacional através de medições de comparação entre a máquina de calibração a ser testada e o padrão de medição nacional, na Alemanha, por exemplo, no Instituto Nacional de Metrologia (PTB). As comparações internacionais das normas nacionais também são realizadas ao mais alto nível.

Dispositivos de transferência de medição HBM. Dependendo do tipo, os sensores demonstram a repetibilidade em posições de montagem variáveis entre 0,002% e 0,05%. Estes dispositivos de transferência de medição podem ser usados para conectar forças entre 2,5 N e 5 MN a um padrão de medição.

Os sensores baseados na tecnologia de strain gauge atendem aos mais altos padrões

Os sensores de força que atendem a padrões tão altos são baseados na tecnologia de strain gauge. Há duas razões para isso. Os sensores de strain gauge usam um circuito ponte de Wheatstone. A instalação hábil dos strain gauges garante que muitos efeitos parasitários, como a temperatura, o momento de flexão ou as forças laterais, sejam amplamente compensados. Os strain gauges também são absolutamente ideais para as medidas estáticas comuns na calibração, pois não possuem desvio e demonstram estabilidade a longo prazo.

As características destes sensores são avaliadas de acordo com o padrão internacional ISO 376. Neste padrão, a capacidade dos sensores de repetir as medições é um ponto de teste importante. Você também encontra os limites de fluência, histerese e também o desvio de sensores da curva característica especificada.

Para facilitar a orientação, os transdutores de força são divididos em classes de precisão de acordo com a norma ISO 376. Classe 00 tem os requisitos mais rigorosos. Isto estabelece que a repetibilidade de montagem e desmontagem ("em posições de montagem variáveis") pode ser apenas um máximo de 0,05% do valor medido. Portanto, os sensores de classe 00 não são adequados para conectar máquinas de carregamento precisas a um padrão de medição nacional.

Dispositivos de transferência de medição HBM. Dependendo do tipo, os sensores demonstram a repetibilidade em posições de montagem variáveis entre 0,002% e 0,05%. Estes dispositivos de transferência de medição podem ser usados para conectar forças entre 2,5 N e 5 MN a um padrão de medição.

Os sensores de classe superior não são feitos, são descobertos

É por isso que os chamados sensores "de primeira classe" estão disponíveis. A precisão alcançada por esses sensores não é prontamente alcançada por produção deliberada. Ao invés disso, os fabricantes verificam sua produção em andamento para encontrar exemplos adequados. Estes então passam por testes extensivos, até que sua aptidão especial possa ser garantida.

À primeira vista, os requisitos rigorosos talvez pareçam excessivos, mas você deve considerar que a precisão é perdida com cada medida de conexão. As máquinas de um laboratório de calibração credenciado estão inicialmente conectadas ao padrão de medição nacional. Nestas máquinas de carregamento, os sensores de transferência são usados para conectar novamente as máquinas, no próximo nível. Para que a precisão das calibrações realizadas no campo seja satisfatória, você deve garantir que cada conexão seja feita com a máxima exatidão possível. Existe uma tendência geral notável para requisitos de precisão mais rigorosos para sensores de força na produção e nos testes. Esta tendência levará ao aumento das demandas na calibração dos transdutores de força no futuro.

Mais coisas para saber sobre calibração

Jargão técnico

Em termos de calibração, entende-se por "conexão" a comparação com um padrão de medição mais alto. Assim, as máquinas de calibração dos fabricantes de tecnologia de medição estão conectadas ao padrão nacional de medição do German National Metrology Institute (PTB) por meio de medidas de comparação.

Padrão e classe de exatidão

A norma ISO 376 é o padrão internacional pertinente para a calibração de transdutores de força de referência. O sensor que está sendo testado é instalado e removido da máquina de carregamento três vezes, e cada vez que é removido, o sensor é girado na máquina em 120 graus. Pelo menos oito forças ascendentes são usadas para carregar, bem como forças descendentes em duas posições de montagem. Os resultados para cada força são comparados um com o outro, de modo que a "repetibilidade em posições de montagem variáveis" pode ser calculada de acordo com uma determinada fórmula. A repetibilidade em uma posição de montagem também é definida, assim como o erro de histerese (diferença entre a série de testes com força crescente e a série de testes com força decrescente para uma determinada força), a fluência (alteração no sinal de saída ao longo do tempo em uma carga constante) e o desvio da curva de ajuste (desvio da curva característica real do sensor em relação a curva característica especificada pela fórmula). A precisão da máquina de carregamento na qual a calibração é realizada também é considerada.

Todos estes parâmetros são calculados em um certificado de calibração de acordo com a ISO 376, de modo que a incerteza do sensor seja mostrada nas diferentes forças. De acordo com o padrão, ele também indica a classe de precisão alcançada em todas as características. Se um valor cai abaixo do limite para uma classe em apenas uma das características, o sensor é atribuído à classe inferior geral.