Um único elemento elástico para todas as situações Um único elemento elástico para todas as situações | HBM

Tecnologia FlexRange com alta precisão básica permite testes de torque variável em diferentes faixas de medição

Medições de torque em aplicações automotivas sempre apresentam um desafio especial. Em algumas aplicações, existe uma necessidade por abranger múltiplas faixas de medição com apenas um sensor de torque. Existem diversas abordagens para solucionar este desafio. A faixa de medição do sensor pode ser ampliada elétrica ou mecanicamente, por exemplo. No primeiro caso, entretanto, a precisão sofre porque fatores que contribuem para as incertezas de medição, como histerese, ruído de sinal e a influência da temperatura do ponto zero são reforçados com a ampliação da faixa de medição. No outro caso, as propriedades mecânicas se deterioram devido à estrutura altamente complexa do corpo de medição. A HBM seguiu uma abordagem diferente, desenvolvendo o sensor digital de torque T12HP com FlexRange. Este sensor abrange toda a faixa de medição com apenas um elemento flexível, com um nível de precisão extremamente elevado.

Requisitos para motores e componentes automotivos – maior eficiência energética, baixo consumo e intervalos mais longos – têm aumentado constantemente. Isso também significa maiores requisitos para precisão na pesquisa e desenvolvimento e, assim, também para equipamentos de testes. Medições de torque é um fator crucial para muitas aplicações de testes na indústria automotiva. Isso é particularmente exigente se faixas de medição de diferentes amplitudes precisam ser atendidas durante um processo de medição, como por exemplo, nos testes de motor. Então, um sensor de torque deve adquirir tanto altos quanto baixos torques, dependendo do teste, com precisão uniforme por toda a faixa de medição. O principal desafio é atingir um equilíbrio entre a precisão da medição e a tolerância a erros.

Em muitas aplicações, como por exemplo, testes de freios, os picos de torque que acontecem são muito altos em comparação como torques médios medidos. A faixa nominal de medição do sensor é dimensionada de forma adequada para garantir que o sensor não seja sobrecarregado, danificado ou mesmo destruído pelos picos de torque. Estes picos de torque representam o torque máximo na aplicação. No entanto, se um sensor é ajustado para o torque máximo, ele possivelmente estará superdimensionado para medir outros torques que acontecem durante o teste. Sensores superdimensionados têm uma desvantagem: as informações importantes do catálogo eletrônico, que devem ser usadas para avaliar os erros, referem-se à faixa nominal de medição, e não para o torque médio medido.

A avaliação relevante de erro pode, portanto, produzir um resultado desfavorável porque parâmetros importantes citados no catálogo eletrônico, como sensibilidade à temperatura TC0, não-linearidade e a histerese, bem como os efeitos devido às cargas parasitas geralmente referem-se à faixa nominal de medição do sensor.

Duas abordagens para sensores dual-range

A solução ideal para gravar múltiplas faixas de medição durante um único processo de teste seria a adaptação contínua da faixa do sensor de medição para o respectivo torque máximo. Uma vez que isso não é prático por conta de razões técnicas, no entanto, um número de diferentes variações de sensores dual-range foram desenvolvidas que são capazes de atender tanto uma faixa de medição ampla quanto pequena. Dois diferentes princípios servem como base para este sensor dual-range: sensores com dois elementos elásticos e sensores elétricos dual-range com apenas um único elemento elástico e dois canais separados de medição.

Múltiplos elementos elásticos permitem múltiplas faixas de medição

Sensores de torque dual-range medem em duas faixas de torque que se diferem em amplitude. Para fazer isso, possuem dois elementos elásticos ou corpos de medição que se diferem em tamanho, possuem diferentes faixas nominal de medição e são conectados em série ou em paralelo. Cada um destes corpos de medição carrega uma ponte de strain gage especialmente orientada e conectada a um amplificador de medição. Isso torna possível determinar a deformação do corpo de medição, de onde o torque pode ser derivado. Transdutores de torque deste tipo são chamados de sensores dual-range “de verdade”. A desvantagem desta variável com as molas conectadas em série é que é apenas adequado para medições de torque estático ou quase estático.

Em aplicações dinâmicas, a proteção contra sobrecarga do elemento elástico menor resultaria em uma sobreposição de sinal. Uma vez que o elemento menor também "sente" os altos torques do elemento maior, ele é equipado com uma proteção mecânica contra sobrecarga que o desconecta quando os torques estão muito altos, transferindo o torque apenas para o sensor maior. Sem esta proteção contra sobrecarga, há um perigo que o elemento menor seja danificado. No entanto, se a proteção contra sobrecarga entrar em ação, o resultado é um sinal não confiável. Isso pode levar a interpretações imprecisas mais tarde, quando os resultados de medição serão avaliados. A segunda e menor faixa de medição também tem, geralmente, um design muito “delicado” neste arranjo, para ser capaz de gerar um sinal suficientemente alto em baixos torques. Por conta disso, a escala menor é muito sensível a cargas parasitas como forças axiais, o que resulta em um crosstalk no sinal de torque e pode até mesmo danificar ou destruir o sensor em casos extremos.

Em outra variável dos sensores dual-range “de verdade”, os elementos elásticos de diferentes tamanhos são conectadas em paralelo. Neste modelo, as medições são feitas sem proteção contra sobrecargas, evitando assim a interferência inerente na sobreposição de sinal. Mas neste caso, os elementos menores também devem "sentir" torques altos. Existe, então, um perigo que o elemento menor ficar sobrecarregado, levando a uma deformação plástica. Para prevenir isso, o elemento é desenvolvido de modo que, junto com o elemento maior, é capaz de suportar o torque máximo. Entretanto, isso resulta em um sinal de medição muito baixo para a segunda ponte de strain gage. O resultado: resolução insuficiente junto com um alto nível de imprecisão, incluindo a sensibilidade à temperatura.

Sensores dual-range elétricos simulam pequena faixa de medição

O sensor de torque T12HP também se diferencia dos "falsos" sensores dual-range que possuem apenas um elemento elástico ou corpo de medição e simulam um segundo elemento elástico eletricamente..

O tipo dual-range elétrico contém um amplificador de medição adicional conectado ao sensor que é ajustado para pequenas faixas de medição. Este segundo amplificador de medição amplifica o sinal de saída, geralmente por um fator de 5 ou 10. Assim, está disponível um segundo sinal útil, o que representa pequenas cargas de torque. A desvantagem deste princípio: a segunda faixa de medição aparece apenas para aumentar a resolução. Os fatores que contribuem para a incerteza de medição referem-se à faixa nominal de medição e, portanto, não apenas à faixa amplificada. Como este segundo sinal em um "falso" sensor dual-range simplesmente espalha o sinal eletricamente, estes fatores de erros também são amplificados, o que, caso não haja informação adicional no catálogo técnico, aumenta a incerteza de medição.

Fatores importantes são:

  1. Ruído de sinal;
  2. Sensibilidade à temperatura no ponto zero TC0;
  3. Histerese (erro relativo d reversibilidade);
  4. Cargas parasitas (esforços transversais).

1. Ruído de sinal

Cada sinal elétrico inclui ruído de fundo que também é representado na medição. O sinal da menor faixa de medição em um sensor dual-range é pior em qualidade por sua própria natureza, porque o ruído de fundo também aumenta com a amplificação. Um comparativo do ruído de fundo na faixa de medição principal (1:1) e na faixa menor (por exemplo, 1:5) mostra que a amplificação elétrica também aumenta o ruído por um fator de, aproximadamente, 5. Assim, as variações no sinal de medição também são amplificadas, por exemplo, aquelas devido aos efeitos da temperatura. O ruído é baixo com o sensor de torque T12HP porque a segunda e menor faixa de medição não é gerada por amplificação eletrônica. A alta precisão básica combinada com a alta resolução do sensor – função FlexRange – abrange a toda a faixa de medição. Portanto, o ruído permanece baixo, mesmo quando o sinal é baixo.

2. Sensibilidade à temperatura no ponto zero TC0

A temperatura afeta a precisão da medição de um sensor. Se o sinal de medição é amplificado por um sensor dual-range elétrico, a sensibilidade à temperatura do ponto zero TC0 também aumenta. A ponte de medição do strain gage é ajustada para a faixa de medição nominal com fator 1:1. Um sinal espalhado pelo fator 1:5 também aumenta a resolução por um fator de 5 se nada for indicado em contrário no catálogo. Se a sensibilidade à temperatura na faixa de medição principal é especificada como 0,1%/10K, é obtido então um valor de 0,5%/10K para faixa de medição menor. Observe também, neste caso, se um valor separado é especificado para a sensibilidade à temperatura da segunda faixa. Caso contrário, a ampliação do sinal de medição não resultará qualquer melhoria correspondente na exatidão. Graças à tecnologia FlexRange da HBM o T12HP é capaz de cobrir toda a faixa de medição com apenas uma amplificação. Com um valor extremamente baixo de apenas 0,005%/10K, é obtida uma exatidão muito elevada, mesmo na sub-escala.

3. Histerese (erro relativo de reversibilidade)

Se o sinal de medição é registrado primeiro com aumento contínuo do torque e então com diminuição contínua do torque, os sinais de saída não coincidirão. Cada um se desviará da curva característica. O desvio máximo entre a carga diminuindo e aumentando é referido como a histerese ou o erro relativo de reversibilidade. Isso depende das propriedades elásticas do material e do projeto do corpo de medição.

A amplitude da histerese depende da tensão e da deformação que dela resulta no corpo de medição e portanto, do torque máximo aplicado. Se há uma mudança significativa de um torque maior para um torque menor durante a medição, por exemplo, em um ensaio de freios, a histerese permanece “salva” no elemento devido à deformação causada pelo alto torque inicial e sua deformação. Quando a faixa de medição muda, entretanto, o mesmo ocorre com o desvio da curva característica.

Devido a isso, há um trecho na curva de sinal de medição onde a mudança acontece chamado de ponto de descontinuidade ou deslocamento do ponto zero. Este erro é amplificado de forma similar ao fator de ganho do sinal de medição. Por exemplo, se o erro de reversibilidade relativa para um sensor dual-range elétrico é 0,05% do torque nominal na faixa de medição principal (1:1), depois de mudar diretamente para a faixa de medição menor (1:5), um erro de deslocamento de 0,25% do torque nominal pode ocorrer. O transdutor de torque T12HP abrange toda a faixa de medição, e não há mudança da faixa de medição. A tecnologia FlexRange, assim, permite um sinal contínuo de medição e elimina o ponto de descontinuidade na aplicação e na precisão.

Um ponto de descontinuidade sempre ocorre se, por exemplo, há diferentes níveis de precisão em um sensor dual-range que sempre depende da sua aplicação ou desempenho no pré-carregamento e, portanto, da histerese.

4. Cargas parasitas

Desvios axiais acontecem em, praticamente, todas as aplicações de drivetrain, dependendo do projeto e montagem. Isso é devido, em parte, às tolerâncias na precisão dimensional dos componentes que são usados na montagem, problemas de alinhamento e a outras influências, como temperatura. O desvio remanescente pode ser praticamente compensado pelo uso de acoplamentos articulados. Entretanto, o crosstalk resultante das cargas parasitas não pode ser compensado sem complexas ações adicionais de tecnologia de medição. Este efeito é reduzido ao mínimo no T12HP devido a sofisticada geometria de seu corpo de medição e graças à precisão muito alta e qualidade da aplicação dos strain gages. As cargas parasitas são relativas ao ponto zero e, ao espalhar o sinal de medição em um sensor dual-range elétrico, multiplica-se o efeito das cargas pelo fator de ganho. Estes sensores produzem amplos erros de medição na faixa de medição menor. Com um sensor de torque single-range como o T12HP, as cargas parasitas são melhor administradas.

Funcionalidade FlexRange

A HBM atingiu os limites físicos da tecnologia de strain gage no desenvolvimento do T12HP. Além disso, o uso da tecnologia de frequência portadora da HBM garante excelente qualidade de sinal. O resultado é um sistema de medição de torque extremamente preciso e estável, bem como, alta resolução efetiva do valor medido. Esta combinação exclusiva torna possível avaliar faixas de medição com uma “lupa”, com alta precisão e resolução.

É esta filosofia que torna possível a funcionalidade FlexRange: excelente precisão, estabilidade e resolução para cada valor medido com apenas um corpo de medição e um sinal. Como resultado, não é necessário uma segunda faixa de medição para atender às exigências de precisão e resolução, mesmo em faixas baixas.

Conclusão

Existem inúmeras possibilidades nas medições de torque de diferentes níveis em duas faixas de medição. Existem perdas na precisão na maioria das variantes devido ao design, especialmente na faixa de medição menor. Sensores dual-range “reais” com múltiplos corpos de medição não são realmente adequados para aplicações dinâmicas por conta do "stop" de sobrecarga necessário. Uma vez que a segunda faixa é frequentemente projetada para ser sensível, de modo a gerar um sinal alto, os limites permitidos de carga são consideravelmente baixos e geram mais crosstalk no sinal de torque e erros relativamente altos.

Em sensores dual-range elétricos com apenas um corpo de medição, o espalhamento do sinal de medição amplifica as propriedades de interferência, como ruído de sinal, histerese, resposta da temperatura do ponto zero TC0 e cargas parasitas. Ao menos que seja indicado no catálogo eletrônico, isso não aumenta a precisão da medição da segunda faixa. A sensibildade à temperatura do ponto zero TC0, bem como, o ruído de sinal são ampliados na mudança da faixa de medição principal para a menor e pode ocorrer um ponto de descontinuidade. O princípio do sensor dual-range elétrico também amplifica o efeito das cargas parasitas, dependendo da aplicação.

Estas interferências são minimizadas no sensor de torque T12HP com função FlexRange. O transdutor combina a flexibilidade de ajustes de filtros e faixa de medição do sinal digital com precisão e resolução básicas muito elevadas, oferecendo assim as vantagens que poderiam se esperadas de um sensor dual-range, mas sem qualquer desvantagem dessa solução.

Graças ao corpo de medição patenteado com precisão e resolução básicas muito elevadas combinadas com tecnologia de frequência portadora, garante limites de erro de apenas 0,007% ou 0,005%/10K para dados técnicos, como linearidade e histerese, efeito da temperatura no sinal zero TC0 e mais. O T12HP com sua função FlexRange é, portanto, claramente superior ao sensor dual-range em diversos aspectos. A filosofia do T12HP, usar todo o potencial da tecnologia strain gage até seus limites físicos, aumentando assim significativamente a precisão básica do sensor, simplifica muito a tecnologia para os usuários.

Assim, o sensor de medição T12HP da HBM não precisa de um segundo amplificador na segunda faixa. Com suas excelentes propriedades mecânicas, oferece precisão muito alta em toda a faixa de medição. Isso torna o transdutor de torque T12HP adequado para medições eficientes de alta precisão e também para medições altamente dinâmicas de torque com diferentes faixas de medição, como por exemplo, em testes de motores funcionando ou suspensos, testes com freios ativados e liberados ou testes de transmissão e de pneus.