Visão geral: Quais grandezas se alteram com a variação da temperatura e o que você pode fazer para neutralizar isso

Grandeza influenciada

Possível medida compensatória

Expansão do material Uso de strain gages auto-compensados
Resistência do cabo Uso de técnicas de múltiplos fios
Coeficiente de temperatura do gage factor Muito baixo, geralmente ignorado. No entanto, ainda é possível fazer o cálculo da compensação enquanto se mede simultaneamente a temperatura.
Influência da temperatura no modulo de elasticidade Geralmente ignorado
 
Os seguintes pontos, que também podem ser relacionados à temperatura, também são relevantes:

Efeito

Possível medida compensatória

Auto-aquecimento do strain gage Observe a tensão máxima de excitação
Clima / umidade relativa Cobertura cuidadosa do ponto de medição
Aderência Observe os limites de temperatura do adesivo que você está usando

 

 

Medição com strain gages: Como prevenir efeitos indesejáveis de temperatura em seu resultado de medição

Neste artigo, iremos mostrar como os efeitos (indesejáveis) de temperatura podem afetar o resultado de medição com strain gages. Você também encontrará um assistente prático de como minimizar estes efeitos ou compensá-los totalmente. Os pontos mais importantes são resumidos juntos no final do artigo, em uma lista de verificação.

As mudanças de temperatura durante a medição com strain gages podem frequentemente ter efeitos indesejáveis no resultado da medição. Felizmente, estão disponíveis um número de opções, com a escolha correta de um strain gage, aquele que melhor se adapta à aplicação, pelo uso dos efeitos de um circuito com ponte de Wheatstone com circuito de ½ ponte ou ponte completa e também com métodos calculados, para compensar em grande parte os efeitos indesejáveis de temperatura.

Os principais fatores: expansão de material e efeitos do cabo

Uma atenção especial deve ser dada a estas duas grandezas de influência:

  • Expansão do material (“deformação aparente”);
  • Efeitos resultantes da resistência do cabo de medição.

O que deve ser feito sobre a expansão do material (“deformação aparente”)?

Os materiais que estão sendo medidos expandem conforme a temperatura aumenta. Esta expansão é descrita pelo coeficiente de expansão do material. O valor depende do material. Para aço, é aproximadamente 11 ppm/K, por exemplo, significa uma expansão de 11 µm/m para uma diferença térmica de ±1°C. A expansão do material, influenciada pelas mudanças de temperatura, resulta em medir uma deformação “aparente”, ou em outras palavras, uma deformação sem carga.

Mudança no volume

∆V = α •V0•∆ T

A melhor saída possível neste caso é o uso de strain gages auto-compensados. O comportamento da temperatura destes strain gages é adaptado para um material específico de modo que eles compensem uma deformação aparente (e portanto, a expansão induzida da temperatura do corpo de medição)

O que pode ser feito devido às mudanças na resistência do cabo?

Quando é usado um circuito de dois condutores (veja o diagrama), a resistência de um cabo de medição é adicionada à resistência do strain gage e, portanto, influencia a medição. Além do resultado do desvio zero e a redução do fator efetivo de medição, a resistência do cabo de medição é também dependente da temperatura. Uma contra-medida adequada neste caso é o uso de técnicas de multi-cabos, conforme descrito abaixo.

Coeficiente de temperatura do gage factor

O gage factor é a propriedade mais importante do strain gage. Descreve a correlação entre a deformação e a mudança na resistência. O fator de medição é dependente da temperatura. Com coeficientes típicos de temperatura do fator de medição de 0,01%/K, seu efeito de distorção no resultado de medição é relativamente pequeno e, portanto, geralmente ignorado. No entanto, um cálculo da compensação (para a medição da temperatura) também é viável.

Dependência da temperatura do modulo de elasticidade

O modulo de elasticidade é uma propriedade que depende do material do corpo de medição. Descreve a correlação entre a deformação medida e a tensão mecânica. O módulo de elasticidade é dependente da temperatura. Um valor típico para o aço neste caso é de aproximadamente -0,02%/K. Na análise experimental de tensão, o efeito do módulo de elasticidade é ignorado. Com sensores de alta precisão que podem ser calibrados, a compensação é feita por meio de elementos de níquel dependentes da temperatura na ponte.

Auto-aquecimento do strain gage (tensão de excitação)

A tensão de excitação faz com que o strain gage aqueça em comparação com o corpo de medição. Dependendo da condutividade térmica do corpo de medição, a condutância térmica é mais ou menos absolvida pelo corpo de medição. Se o corpo de medição conduz mal o calor, o resultado pode ser a diferença na temperatura entre o corpo de medição e o strain gage. Isso poderia interferir com o funcionamento do strain gage auto-compensado.

Clima e umidade relativa

Se o ponto de medição não estiver adequadamente protegido, pode ocorrer um desvio no ponto zero, dependendo da umidade relativa. Isto é devido às moléculas de água do adesivo e ao material de suporte do strain gage que estão sendo absorvidos (higroscopia). Uma contra-medida adequada é cobrir cuidadosamente o ponto de medição.

Aderência

Conforme a temperatura aumenta, os adesivos começam a descolar e não são mais capazes de transferir 100% da deformação. Neste caso, eles são comparáveis a uma queda no fator de medição. Por conta disso, é importante observar os limites de temperatura do adesivo e escolhê-los adequadamente para o campo de aplicação.

Outras grandezas influentes nos efeitos de temperatura

Além destes dois principais fatores, há outras grandezas influentes para as quais os efeitos de temperatura desempenham um papel.

A soma destes efeitos pode ser ignorada, entretanto, pode ser geralmente resolvida através do cálculo de compensação (veja a explicação do cálculo de compensação abaixo).

Compensando as medições

Usando strain gages auto-compensados

Strain gages auto-compensados são desenvolvidos especialmente para compensar o comportamento da temperatura de determinados materiais por seu próprio comportamento de temperatura. Isso significa que eles neutralizam a deformação aparente (e assim a expansão induzida da temperatura do corpo de medição). Por conseguinte, é selecionado um strain gage com uma resposta adequada de temperatura.

Os ajustes de temperatura para os materiais mais comuns usados com strain gages auto-compensados:

Código

Material (exemplo)

α (·10-6 / °K)

1 Aço ferrítico  10,8
3 Alumínio  23
5 Aço austenítico (Aço inoxidável)  16
6 Silica / composto  0,5
7 Titânio / ferro fundido  9,0
8 Plástico  65
9 Molibdênio  5,4

Selecionando um strain gage que está adaptado ao material compensa-se a parte da deformação aparente. Um erro residual permanece (componente não-linear). Este erro é determinado durante a produção e está incluso na folha de dados (veja ilustração). Para cálculos mais extensos, por exemplo, com maiores mudanças de temperatura, você também pode realizar um cálculo de compensação (veja abaixo).

Realização da curva de erro em uma folha de dados típica

Circuito ponte de Wheatstone e circuito multi-cabeado

Junto com o uso de strain gages auto-compensados, a conexão a um circuito de ½ ponte ou ponte completa, bem como o uso de um circuito com três ou quatro fios é outro método importante de compensação que é especialmente útil para minimizar ou até mesmo eliminar completamente o efeito da resistência do cabo.

O circuito de ponte de Wheatstone converte mudanças bem pequenas na resistência em uma tensão elétrica mensurável. Os quatro resistores podem ser substituídos por um strain gage (circuito de ¼ de ponte), dois strain gages (circuito de ½ ponte) ou quatro strain gages (circuito de ponte completa).

Uma vez que as conexões individuais fluem com diferentes sinais no circuito de ponte de Wheatstone, há uma possibilidade para compensação. Este efeito de compensação de temperatura pode ser demonstrado baseado no exemplo de uma viga de flexão:

Sob uma carga positiva a mola exibe a deformação (+) na parte superior e a compressão (-) na parte inferior. Se dois strain gages estão conectados a um circuito de ponte de Wheatstone, o resultado é dobrar o sinal. Se houver deformação dependente da temperatura, a deformação aparece em ambos os strain gages com o mesmo sinal. Assim, os efeitos se cancelam mutuamente no circuito de ponte de Wheatstone.

O efeito da resistência do cabo pode ser amplamente compensado seletivamente por um circuito de três fios. Para fazer isso, o fio de alimentação e um terceiro fio adicional são conectados em diferentes conexões do circuito de ponte de Wheatstone. Uma vez que os dois cabos se comportam de modos opostos devido à simetria da estrutura e, portanto, se compensam mutuamente, as resistências do cabo são compensadas pelo circuito de três fios, exceto no caso de cabos assimétricos e com gradientes de temperatura.

Todos os efeitos do cabo são compensados pelo circuito patenteado de quatro fios da HBM.

O cálculo de compensação pode ser realizado pelo erro residual com strain gages auto-compensados, para o erro de um strain gage que não está ajustado ou está mal ajustado, e também para outros pequenos erros (como a dependência de temperatura do fator de medição).

Para compensar isso, a temperatura é medida em paralelo e a deformação medida é corrigida por um canal correspondente online ou imediatamente calculado. Os gradientes da temperatura também devem ser considerados. Se necessário, devem ser fornecidos múltiplos pontos de medição para temperatura. Softwares como o catman® da HBM também oferecem funções apropriadas para cálculos de compensação.

Usando um amplificador de frequência-portadora

Além do próprio sensor, o amplificador também executa um papel importante na consideração das influências de temperatura. Isso se aplica especialmente com tensões termoelétricas:

Devido ao efeito termoelétrico, uma tensão elétrica dependente da temperatura é produzida onde diferentes tipos de materiais são conectados. Os termopares fazem uso deste efeito. No entanto, isso também tem um efeito no sistema de medição de strain gage (erro de zero dependente da temperatura (zero sinal de retorno)).

A tensão termoelétrica pode ser amplamente compensada pelo uso de um amplificador de frequência-portadora. Neste caso, há uma tensão de excitação senoidal para que o sinal de medição possa ser modulado para um sinal periódico. A demodulação é realizada digitalmente após o sinal passar por um filtro passa banda para que as tensões termoelétricas quase estáticas possam ser filtradas no caminho para o amplificador.

Limites de temperatura do strain gage e os adesivos

A faixa de temperatura da folha de strain gages está limitada pelos materiais que são usados. A faixa máxima é de cerca de 300°C a 400°C. Se as medições tiverem que ser realizadas em temperaturas mais altas, devem ser usados os strain gages para temperaturas mais altas que trabalham de acordo com princípios diferentes.

Os limites de temperatura dos strain gages da HBM são:

  • série Y: 200°C
  • série M: 300°C
  • série C: 250°C
  • série G: 200°C
  • Strain gages pré-cabeados: 150°C

Claro que o limite de temperatura do adesivo que estiver usando também deverá ser observado. Se um adesivo perder a rigidez conforme a temperatura sobe, a deformação não será mais transferida com precisão. Portanto, os limites de temperatura do adesivo devem ser observados. Os adesivos são divididos em produtos de fixação fria ou quente: depende se a fixação na temperatura do ambiente é adequada ou necessita um aquecimento. Os limites de temperatura do adesivo oferecido pela HBM são:

Fixação a quente:

  • EP310S: 310°C
  • EP150: 150°C


Fixação a frio:

  • Z70: 120°C
  • X60: 80°C
  • X280: 280°C

Checklist: Os pontos mais importantes relativos à compensação de temperatura de strain gages

Dependendo da influência da grandeza, várias opções estão disponíveis para minimizar a influência dos efeitos da temperatura no resultado da medição. Aqui está seu checklist para medições com baixa influência de temperatura:

  • Use strain gages auto-compensados;
  • Use um circuito de ponte de Wheatstone com um circuito de três ou quatro fios;
  • Use um amplificador de frequência portadora para excluir tensões termoelétricas;
  • Para cálculo de compensação: Realize uma medição de temperatura em paralelo;
  • Observe os limites de temperatura do strain gage e do adesivo.

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