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Circuitos de medição

Para medir a deformação com um strain gauge, ele deve estar conectado a um circuito elétrico capaz de medir pequenas mudanças na resistência correspondentes à tensão. Os transdutores de strain gauge geralmente empregam quatro sensores strain gauges conectados eletricamente para formar um circuito de ponte de Wheatstone (Figura 2-6).

Uma ponte de Wheatstone é um circuito usado para a medição de resistência elétrica estática ou dinâmica. A tensão de saída do circuito da ponte de Wheatstone é expressa em saída de milivolts por entrada de volts. O circuito de Wheatstone também é adequado para compensação de temperatura.

A equação da ponte de Wheatstone afirma que, se R1, R2, R3 e R4 forem iguais, e uma tensão, VIN, for aplicada entre os pontos A e C, a saída entre os pontos B e D não mostrará nenhuma diferença de potencial. No entanto, se R4 for alterado para algum valor que não seja igual a R1, R2 e R3, a ponte ficará desequilibrada e existirá uma tensão nos terminais de saída. Em uma configuração conhecida como ponte G, o sensor de deformação variável tem resistência Rg, enquanto os outros braços são resistores de valor fixo.

O sensor, no entanto, pode ocupar um, dois ou quatro braços da ponte de Wheatstone, dependendo da aplicação. A tensão total, ou tensão de saída do circuito (VOUT), é equivalente à diferença entre a queda de tensão em R1 entre R4, ou Rg. Isso também pode ser escrito como:

Para obter mais detalhes, consulte a Figura 2-6. A ponte é considerada equilibrada quando R1/R2 = Rg/R3 e, portanto, VOUT é igual a zero.

Qualquer pequena alteração na resistência do strain gauge causará um desequilíbrio na ponte, tornando-a adequada para a detecção de deformação. Quando a ponte é configurada de modo que Rg seja o único strain gauge ativo, uma pequena alteração no Rg resultará em uma tensão de saída da ponte. Se o fator de deformação for GF, a medição da deformação estará relacionada à alteração no Rg da seguinte forma:

O número de strain gauges ativos que devem ser conectados à ponte depende da aplicação. Por exemplo, pode ser útil conectar sensores de deformação que estejam em lados opostos de uma viga, um na compressão e o outro na tração. Nesse arranjo, é possível efetivamente duplicar a saída da ponte para a mesma deformação. Em instalações onde todos os terminais estão conectados a sensores de deformação, a compensação de temperatura nos strain gauges é automática, pois a mudança de resistência devido às variações de temperatura será a mesma para todos os terminais da ponte Wheatstone.

Em uma ponte de Wheatstone com quatro elementos, geralmente dois sensores são ligados na compressão e dois na tração. Por exemplo, se R1 e R3 estiverem na tração (positiva) e R2 e R4 estiverem na compressão (negativa), a saída será proporcional à soma de todas as deformações medidas separadamente. Para medidores localizados em trechos adjacentes, a ponte fica desequilibrada proporcionalmente à diferença de deformação. Para medidores em trechos opostos, a ponte equilibra proporcionalmente à soma das deformações. Não importa se a deformação é por dobra, axial, de cisalhamento ou de torção que está sendo medida, a disposição do strain gauge determinará a relação entre a saída e o tipo de deformação que está sendo medido. Conforme mostrado na Figura 2-6, se ocorrer uma deformação de tração positiva nos medidores R2 e R3, e houver uma deformação negativa nos medidores R1 e R4, a saída total, VOUT será o quádruplo da resistência de um único sensor. Nessa configuração, as alterações de temperatura do strain gauge são compensadas.

O circuito da ponte Chevron

A ponte Chevron é ilustrada na Figura 2-7. Esse é um arranjo de vários canais que serve para compensar as mudanças nas resistências nos terminais da ponte, alternando-as periodicamente. Aqui, as quatro posições de canais são usadas para alternar o voltímetro digital (DVM) entre as configurações da ponte G (um sensor ativo) e da ponte H (dois sensores ativos). O dispositivo de medição do DVM sempre compartilha a fonte de alimentação e uma ponte H interna. Essa disposição é mais utilizada para medições de deformação em máquinas giratórias, onde pode reduzir o número de anéis coletores necessários.

Circuito de ohm com quatro fios

Embora o circuito da ponte de Wheatstone seja um dos métodos mais utilizados para medir a resistência elétrica, outros métodos também podem ser usados. A principal vantagem de um circuito de ohm com quatro fios é que os fios condutores não afetam a medição, pois a tensão é detectada diretamente no strain gauge.

Uma instalação de circuito de ohm com quatro fios pode consistir em um voltímetro, uma fonte de corrente e quatro resistores com condutores, R1, em série com um resistor de medição, Rg (Figura 2-8). O voltímetro é conectado aos terminais de detecção de ohms do DVM e a fonte de corrente é conectada aos terminais de alimentação de ohms do DVM. Para medir o valor da deformação, um fluxo de corrente baixa (normalmente um miliampère) é fornecido para o circuito. Enquanto o voltímetro mede a queda de tensão em Rg, o valor de resistência absoluta é calculado pelo multímetro com base nos valores de corrente e tensão.

A medição geralmente é feita medindo-se primeiro o valor da resistência do medidor em uma condição sem tensão e, em seguida, fazendo uma segunda medição com a tensão aplicada. A diferença entre as resistências medidas dividida pela resistência sem tensão fornece um valor fracionado da deformação. Esse valor é usado com o fator de medição (GF) para calcular a deformação.

O circuito de quatro fios também é adequado para compensação automática de tensão por deslocamento. A tensão é medida primeiro quando não há fluxo de corrente. Esse valor medido é então subtraído da leitura de tensão quando há fluxo de corrente. A diferença de tensão resultante é então usada para calcular a resistência do medidor. Devido à sua sensibilidade, os strain gauges com quatro fios são geralmente usados para medir deformações dinâmicas de baixa frequência. Ao medir frequências mais altas, a saída da ponte precisa ser amplificada. O mesmo circuito também pode ser usado com um strain gauges semicondutor e um voltímetro digital de alta velocidade. Se a sensibilidade do DVM for de 100 microvolts, a fonte de corrente será de 0,44 mA, a resistência do strain gauge será de 350 ohms e seu fator de medição será 100, a resolução da medição será de 6 microstrains.

Circuito de corrente constante

A resistência pode ser medida ao energizar a ponte com uma tensão ou corrente constante. Como R = V/I, se V ou I for mantido constante, o outro varia de acordo com a resistência. Ambos os métodos podem ser usados.

Embora não exista vantagem teórica em usar uma fonte de corrente constante (Figura 2-9) em comparação com uma tensão constante, em alguns casos a saída da ponte será mais linear em um sistema de corrente constante. Além disso, se uma fonte de corrente constante for usada, isso elimina a necessidade de detectar a tensão na ponte. Portanto, apenas dois fios precisam ser conectados ao elemento de deformação.

O circuito de corrente constante é mais eficaz quando a deformação dinâmica está sendo medida. Isso ocorre porque, se uma força dinâmica estiver causando uma mudança na resistência do strain gauge (Rg), seria possível medir o componente de variação de tempo da saída (VOUT), enquanto os efeitos de alteração lenta, como mudanças na resistência do condutor devido às variações de temperatura, seriam rejeitados. Usando essa configuração, os desvios de temperatura se tornam quase insignificantes.

Aplicação e instalação

A saída de um circuito do strain gauge é um sinal de tensão muito baixo que requer uma sensibilidade de 100 microvolts ou mais. O baixo nível do sinal o torna particularmente suscetível a ruídos indesejados de outros dispositivos elétricos. O acoplamento capacitivo causado pelo funcionamento muito próximo dos fios condutores aos cabos de alimentação CA ou às correntes de aterramento são potenciais fontes de erro na medição de deformação. utras fontes de erro podem incluir tensões magneticamente induzidas quando os fios condutores passam por campos magnéticos variáveis, resistências de contato parasitas (indesejadas) de fios condutores, falha de isolamento e efeitos de termopar na junta de metais diferentes. A soma dessas interferências pode resultar em degradação significativa do sinal.

Blindagem

A maioria dos problemas de interferência elétrica e ruído pode ser resolvida com uma blindagem e proteção. A blindagem ao redor dos fios condutores de medição interceptará interferências e também poderá reduzir quaisquer erros causados pela degradação do isolamento. A blindagem também preserva a medição do acoplamento capacitivo. Se os condutores de medição estiver perto de fontes de interferência eletromagnética, como transformadores, trance os fios para minimizar a degradação do sinal devido à indução magnética. Ao trançar o fio, a corrente induzida pelo fluxo é invertida e as áreas em que o fluxo cruza são canceladas. Para aplicações de processos industriais, fios trançados e blindados são usados quase sem exceção.

Proteção

Proteger a própria instrumentação é tão importante quanto proteger os fios. Uma proteção é uma caixa de chapa metálica que rodeia o circuito analógico e está conectada à blindagem. Se as correntes de aterramento fluírem pelo strain gauge ou seus fios condutores, um circuito da ponte de Wheatstone não poderá distingui-los do fluxo gerado pela fonte de corrente. A proteção garante que os terminais de componentes elétricos tenham o mesmo potencial, o que impede fluxos de corrente externos.

Ao conectar um condutor de proteção entre a amostra de teste e o terminal negativo da fonte de alimentação, você terá um caminho de corrente adicional ao redor do circuito de medição. Ao colocar um caminho para o condutor de proteção no caminho de uma corrente que produz erros, todos os elementos envolvidos (ou seja, fonte de alimentação flutuante, strain gauge, todos os outros equipamentos de medição) estarão no mesmo potencial que a amostra de teste. Ao usar fios condutores trançados e blindados e integrar DVMs com a proteção, o erro comum de ruído pode ser praticamente eliminado.

Efeitos do fio condutor

Às vezes, os medidores de deformação são montados distantes do equipamento de medição. Isso aumenta a possibilidade de erros devido a variações de temperatura, dessensibilização do condutor e alterações na resistência do fio condutor. Em uma instalação com dois fios (Figura 2-10A), os dois condutores estão em série com o strain gauge, e qualquer alteração na resistência do fio condutor (R1) será indistinguível das alterações na resistência do medidor de tensão (Rg).

Para corrigir os efeitos do fio condutor, um terceiro condutor pode ser introduzido no terminal superior da ponte, conforme mostrado na Figura 2-10B. Nessa configuração, o fio C atua como um fio de detecção sem corrente fluindo nele, e os fios A e B estão em trechos opostos da ponte. Esse é o método mínimo aceitável de ligação de strain gages a uma ponte para cancelar pelo menos parte do efeito dos erros do fio de extensão. Teoricamente, se os fios condutores do sensor tiverem a mesma resistência nominal, o mesmo coeficiente de temperatura e forem mantidos na mesma temperatura, uma compensação total será obtida. Na realidade, os fios são fabricados com uma tolerância de cerca de 10%, e a instalação de três fios não elimina completamente os erros de dois fios, mas os reduz em uma ordem de magnitude. Se for necessário melhorar ainda mais, instalações com quatro fios e compensadas por deslocamento (Figuras 2-10C e 2-10D) devem ser consideradas.

Em instalações com dois fios, o erro introduzido pela resistência do fio condutor é uma função da taxa de resistência R1/Rg. O erro do condutor geralmente não é significativo se a resistência do fio condutor (R1) for pequena em comparação com a resistência do strain gauge (Rg), mas se a resistência do fio condutor exceder 0,1% da resistência nominal do strain gauge, essa fonte de erro se torna significativa. Portanto, em aplicações industriais, os comprimentos dos fios deverão ser minimizados ou eliminados, localizando-se o transmissor diretamente no sensor.

Temperatura e o fator de medição

Materiais de detecção de deformação, como cobre, alteram sua estrutura interna em altas temperaturas. Temperatura pode mudar mais do que apenas propriedades do strain gauge, pode também alterar as propriedades do material de base ao qual o strain gauge está conectado. As diferenças nos coeficientes de expansão entre o medidor e os materiais de base podem causar alterações dimensionais no elemento do sensor. Portanto, um circuito de compensação de temperatura seria necessário.

A expansão ou contração do elemento medidor de tensão e/ou do material de base introduz erros difíceis de corrigir. Por exemplo, uma alteração na resistividade ou no coeficiente de temperatura da resistência do strain gauge altera a referência zero usada para calibrar a unidade.

O fator de medição é a sensibilidade de tensão do sensor. O fabricante deve sempre fornecer dados sobre a sensibilidade da temperatura do fator de medição. A Figura 2-11 mostra a variação nos fatores de medição dos vários strain gauges como uma função da temperatura operacional. As ligas de cobre-níquel, como Advance, têm fatores de medição relativamente sensíveis às variações de temperatura operacional, tornando-as a escolha mais popular para strain gauges.
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