Arruelas de força para produção, testes e monitoramento Arruelas de força para produção, testes e monitoramento | HBM

Arruelas de força para produção, testes e monitoramento

Forças elevadas, requisitos exigentes para a robustez do equipamento de medição – sem mencionar as demandas por uma baixa altura de construção e fácil integração com um orçamento limitado – há muitas razões para o uso de sensores de força anular. Seus diversos usos vão desde forças de monitoramento em praticamente inúmeras aplicações industriais, como crimping, adesão, pressão e rebitamento, até o monitoramento a longo prazo de conexões roscadas em turbinas eólicas ou em trilhos.

Portanto, os requisitos enfrentados pelas arruelas de força são tão variados quanto as tarefas de medição:

  • Um baixo limiar de discriminação, para garantir excelente sensibilidade e permitir que até mesmo as menores forças sejam medidas
  • Versão robusta com dimensões compactas
  • Tamanhos adequados para diâmetros populares de parafuso, parafuso e pino
  • Qualidade livre de deriva quando usada em tarefas de monitoramento, como monitoramento de parafusos e parafusos, por exemplo
  • Erro de repetibilidade muito baixo após instalação e calibração

Mesmo com a mais recente tecnologia, é impossível satisfazer todos os requisitos com um princípio de medição física. Por essa razão, soluções baseadas tanto em strain gauges quanto em arruelas de força piezoelétrica tornaram-se generalizadas.

Princípios físicos

Arruelas de força baseadas em strain gauge

As arruelas de força baseadas em strain gauge consistem em um elemento de mola anular ao qual os strain gauges são fixados com adesivo. Como em comum nos sensores de strain gauge, a força de ação deforma o elemento mola. Isso causa uma tensão, que os strain gauges convertem em uma mudança de resistência. Os strain gauges formam um circuito de ponte de Wheatstone, de modo que – se a tensão elétrica for aplicada na máquina de medir – isso dá origem a uma tensão elétrica mensurável proporcional à força aplicada.

Ao selecionar os strain gauges, o designer do sensor se concentra em alcançar a maior cobertura angular possível, de modo que a arruela tenha sensibilidade uniforme sobre toda a sua superfície. Séries mais novas, como o KMR+ da HBM, também apresentam selos herméticos soldados. Estes tornam os sensores adequados para uso a longo prazo mesmo em condições adversas, como o uso em estruturas externas, em leitos ferroviários ou em turbinas eólicas. A principal vantagem da tecnologia de strain gauge é que os sensores são praticamente livres de deriva. Isso, por sua vez, oferece uma vantagem inestimável em inúmeras tarefas de monitoramento (por exemplo, o monitoramento de conexões roscadas ou tensão de cabo), à medida que os sensores continuam a medir com precisão a longo prazo, sem necessidade de zerar ou redefinir interinamente.

Piezoelectric force washers

As arruelas de força piezoelétricas consistem em duas placas cristalinas de material piezoelétrico, que é frequentemente quartzo (turquesa). Um eletrodo (vermelho) é montado entre essas placas de cristal. O outro lado de cada placa de cristal está conectado à carcaça (amarela e verde) da arruela de força.

Quando uma força é aplicada, esses sensores produzem uma carga (efeito piezoelétrico), que um cabo especial de carga coaxial alimenta-se de um amplificador de carga, onde é transformado em um sinal de tensão mensurável. Se fizermos a superfície dos cristais maior ou menor, a sensibilidade permanece inalterada – em grande contraste com os sensores, que são baseados em strain gauges onde a sensibilidade depende da força nominal (nominal).

Assim, a sensibilidade dos sensores piezoelétricos não depende do tamanho do transdutor e, portanto, também não está na força nominal (nominal). Consequentemente, qualquer sensor pode ser selecionado para medir até mesmo as menores forças. Isso resulta em maior liberdade para outros parâmetros, como alta estabilidade de sobrecarga ou requisitos geométricos, por exemplo. Há outras vantagens, também: o limiar de discriminação é menor, permitindo uma faixa de medição muito ampla.

Além disso, o sensor tem sensibilidade idêntica sobre toda a superfície da aplicação de carga. Por outro lado, a conexão elétrica está sujeita a requisitos rigorosos, pois é necessária uma resistência a isolamento muito alta. Mesmo que as medidas sejam possíveis na gama Newton e os componentes HBM tenham deriva excepcionalmente baixa, todos os sensores piezoelétricos têm deriva, de modo que tarefas de monitoramento de longo prazo não podem ser executadas usando essa tecnologia.

As cargas podem fazer um curto-circuito, e uma redefinição resultante da saída elétrica do sensor piezoelétrico pode definir o sensor como zero. A vantagem é que forças muito pequenas podem ser registradas de forma confiável, mesmo que a força de atuação existente seja muito grande. 10 N pode ser medido sem problemas por um sensor piezoelétrico com uma carga inicial de vários kN, se um reset anteriormente ocorreu.

Quando utilizar cada tecnologia de medição?

A tecnologia de strain gauge e os sensores piezoelétricos complementam uns aos outros perfeitamente. Abaixo estão algumas tarefas de medição e a tecnologia preferida em cada caso:

USO/REQUISITOS PRETENDIDOS

SOLUÇÃO RECOMENDADA

Faixa de medição sobre vários poderes de dez necessáriosSensores piezoelétricos CFW ou CLP
Monitorando tarefas por longos períodosKMR+
Controle de processos de a junção de processos, prensas e similaresAmbos os princípios de medição podem ser usados
Uso em condições extremas, alta umidadeKMR+
Use sem pré-tensãoKMR+
Estabilidade de sobrecarga extremamente alta necessáriaSensores piezoelétricos CFW ou CLP (selecione um sensor maior)
Medições das menores forças sob uma alta carga inicialSensores piezoelétricos CFW ou CLP
Medições de força rápidaAmbos os princípios de medição podem ser usados

Dicas e Know-How para uso

Pequeno deslocamento, pré-requisito para medições de força rápidas

Todas as arruelas de força apresentam deslocamento mínimo. Esta é uma vantagem, pois a rigidez de um sensor de força também pode ser calculada dividindo a força nominal (nominal) pelo deslocamento: Assim, um pequeno deslocamento equivale à alta rigidez, o que, por sua vez, significa que a estrutura tem alta frequência natural. Uma vez que a frequência máxima de medição do sensor depende da frequência natural do sistema geral, o pequeno deslocamento significa que os sensores também são adequados para medições muito rápidas.

Distribuindo forças uniformemente sobre a arruela de força: Superfícies de contato adequadas, placas de aplicação de carga

Da mesma forma, o pequeno deslocamento significa que o sensor deve ser submetido a carga uniforme sobre toda a sua superfície, para evitar sobrecarga em áreas individuais. Isso se aplica a ambos os tipos de sensores. Portanto, as superfícies em contato com o sensor devem ser aterrais para garantir que estejam uniformes. Também é necessária uma dureza de 40 HRC.

O KMR+ cobre um domínio angular muito grande com o strain gauge. Possui placas de aplicação de carga para distribuir a força uniformemente na arruela de força e assim melhorar o comportamento do sensor. Isso reduz drasticamente o erro de repetibilidade e a sensibilidade do momento de dobra, ao mesmo tempo em que impõe requisitos menos rigorosos nos pontos de contato das peças de conexão.

Arruelas de força piezoelétrica: Pré-tensionar é absolutamente essencial

Em arruelas de força piezoelétrica, pré-estresse é absolutamente vital. Um parafuso é geralmente usado para fazer isso. É necessário ter classe 10.9 ou 12.9. O pré-estresse é importante para pressionar os componentes da arruela de força piezoelétrica, ou seja, os cristais, eletrodos e carcaças, uns sobre os outros:

  • Para garantir a correta dissipação da carga, quando os cristais estiverem em contato firme com a carcaça e o eletrodo.
  • Para garantir o contato entre os componentes mesmo quando ocorrem momentos de dobra. Um momento de dobra que alivia completamente a tensão de um lado da arruela de força piezoelétrica nunca deve ocorrer.

Como você pode ver no diagrama, o momento de dobra admissível das arruelas de força piezoelétrica depende da carga: o momento máximo de dobra pode ser aplicado se a soma da força pré-tensionante e a força a ser medida equivale a exatamente 50 % da força nominal (nominal). Exemplo: Você está usando um CFW/330KN, a força de processo que você deseja medir é de aproximadamente 95 kN. A força pré-tensionante ideal é, portanto, de 70 kN, já que a soma de 70 kN e 95 KN é de 165 kN, ou seja, precisamente metade da força nominal (nominal) da arruela de força.

Pré-tensionamento, mudança de sensibilidade

Se as arruelas de força forem instaladas pré-tensionadas com um parafuso ou pino, a força pré-tensionante do parafuso atua na arruela de força, bem como a força a ser medida, F, como mostrado no diagrama abaixo. Consequentemente, a arruela de força está trabalhando em um desvio de força.

Se uma força é aplicada à construção, uma deformação muito pequena resulta. Isso faz com que o parafuso seja aliviado da tensão em uma pequena medida, e o pré-estresse cai. Isso torna o ponto de medição menos sensível do que na arruela sem pré-estresse. Se você precisar de valores medidos quantitativos, a arruela de força deve ser calibrada. É claro que medidas qualitativas (comparativas) também podem ser realizadas sem calibração.

Procedimento de calibração

Calibração significa comparação com uma quantidade conhecida. As arruelas de força podem ser calibradas enquanto instaladas, posicionando uma célula de carga com arruela de força instalada em série, por exemplo, substituindo a ferramenta por uma célula de carga. Há, é claro, sempre a opção de enviar elementos da máquina contendo a arruela de força para a fábrica para calibração. Neste caso, precisamos esclarecer de antemão se a construção pode ser instalada em uma máquina de calibração. Como regra geral, calibrar o sensor instalado usando uma célula de carga calibrada é a opção mais fácil.

Se for utilizado um sensor com certificado de calibração DAkkS (organismo nacional de acreditação para a República Federal da Alemanha), as arruelas de força também podem ser conectadas no campo com rastreabilidade metrológica, conforme exigido por inúmeros padrões de qualidade.

Projetos especiais

Uma arruela de força com diâmetro diferente é frequentemente necessária, ou uma força nominal diferente (nominal) para o diâmetro em questão. Designs especiais geralmente também são possíveis com tamanhos de lote menores, e muitas vezes oferecem uma alternativa sensata e de economia de espaço para a célula de carga convencional.