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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO – CAMPUS CUIABÁ
Medidores de Força e Torque Instrumentação Industrial
Novembro de 2011 Cuiabá – MT
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO Medidores de Força e Torque
Medidores de Força e Torque Instrumentação Industrial
Micael Bronzatti Gaier
Novembro de 2011 Cuiabá – MT
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SUMÁRIO
1. Introdução
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2. Desenvolvimento: Medidores de Torque e Força
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3. Conclusão
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4. Referências
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1. INTRODUÇÃO Com este trabalho, pretendo apresentar todas as formas de medição de
força
e
troque
relevantes
ao
aprendizado
na
disciplina
de
Instrumentação Industrial. É apresentado as definições de força e suas medições por meio de balanças, de deformação, por meio de sinais elétricos, extensômetros e células de carga. Posteriormente é apresentada a medição de torque por meio de torquímetros especificando os diversos tipos destes existentes no mercado atual. Em seguida é mostra a utilização de métodos de medição de torque em motores utilizando dinamômetros, transdutores de torque, freios de Prony e hidráulico. Este trabalho apresenta uma descrição sucinta sobre cada um dos tipos de medidores apresentados e uma figura exemplificando o seu uso.
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2. Medição de Força e Torque 2.1.
Definição Básica
Para podermos tratar sobre a medição de força e torque, precisamos saber diferencias massa e força. Massa é uma propriedade relacionada à inércia, é a medida da quantidade de matéria de um corpo, enquanto força é a quantidade vetorial associada à massa, necessária para mudar a quantidade de movimento de um corpo. Há quatro principais formas de se realizar a medição de força e torque:
Contrabalanceando a força gravitacional sobre massas padrões diretamente ou utilizando um de sistema com alavancas.
Medindo-se a aceleração de um corpo de massa conhecida sobre o qual é aplicada a força.
Transformando-se a força em pressão em um fluido e então se medindo a pressão.
Aplicando-se a força em algum membro elástico e então medindo a deflexão ou a deformação.
O torque é definido a partir do perpendicular ao eixo de rotação da força sobre um objeto que é utilizado para fazer ele girar em torno de um ponto de rotação. Na prática, a medição de força ou torque é realizada com instrumentos simples como balança de braço ou dinamômetros de mola, ou com células de carga e extensômetros. 2.2.
Medição de forças por balanças
A maneira mais simples de se medir uma força é compará-la com uma força conhecida, gerada por uma massa conhecida. Isto, por exemplo, pode ser feito utilizando uma balança de pivot centra ou em uma balança com massa deslizante.
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Fig. 1: Balança de Pivot Central
Fig. 2: Balança de Massa Deslizante
2.3.
Medição de Força por Deformação ou Deflexão
Através deste método de medição, utilizamos a elasticidade dos materiais e o uso de molas. Dessa forma, conseguimos medir a sua pressão de acordo com a deformação que o material adquirir e pela sua elasticidade. 2.4.
Medição de força através de sinais elétricos Transformador Diferencial Variável Linear
Um dispositivo utilizado para medir força é o transformador diferencial variável linear (TDVL ou LCDT). O TDVL é constituído por uma série de indutores construídos em um cilindro oco, dentro no qual se desloca um cilindro sólido interno e produz um sinal elétrico proporcional à sua posição. Ele é utilizado em vários dispositivos mecânicos que necessitem converter uma posição em um sinal elétrico.
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Fig. 3: Esquema de um TDVL
Extensômetros Os extensômetros são atualmente os dispositivos de medição de força mais utilizados. Ele uma pequena superfície metálica que é colada no corpo do material que se deformará. A deformação do extensômetro é medida por variação da sua resistência elétrica. Quando um material é deformado a sua resistência elétrica será alterada, a fração de mudança na resistência que será proporcional à fração de mudança no comprimento do material. Há muitas aplicações para extensômetros, são muito utilizados principalmente para construir células de carga e torquímetros para medição de torque e força de compressão.
Fig. 4: Extensômetro para construção de torquímetro e células de carga de compressão.
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Células de Carga A
célula
de
carga
é
um
dispositivo
eletromecânico
que
usa o
extensômetro para medir deformação, e com isso, tensão e força. Atualmente as células de carga de extensômetro tornaram-se de uso disseminado com sua adoção em balanças comerciais. As células de carga são atualmente os dispositivos de força mais utilizados. A célula de carga que domina o mercado é a célula de carga de extensômetros. Porém, também existem células de carga de carbono e as células de carga de fluidos. Em uma célula de carbono, a compressão do carbono altera sua condutividade elétrica e então altera a tensão. Em uma célula de fluido, a compressão exercida sobre o fluido é medida no manômetro e utilizada para calcular a força.
Fig. 5: Células de Carga
2.5.
Medição com Torquímetro
Torquimetro
é
uma
ferramenta
também
conhecida
por
chave
dinamométrica, usada para medir o torque. O torquímetro tem um dispositivo dinamométrico que possibilita medir a força de torque que permita o máximo de aperto sem o risco de danificar o material. Existem vários tipos de dispositivos de medição de torque, desde modelos exclusivamente mecânicos até modernos aparelhos com display eletrônico e uma precisão muito boa.
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Torquímetro tipo flexão: Este torquímetro possui um elemento sensor na haste que se baseia em sua flexão.
Fig. 6: Torquímetro tipo flexão
Torquímetro com extensômetro: Ele possui extensômetros ao longo do material e assim é permitido realizar a medição.
Fig. 7: Torquímetro com extensômetro
Medidor óptico de torque:
Fig. 8: Medidor óptico de torque
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2.6.
Medição de torque em motores
2.6.1.
Dinamômetro
Para realizar a medição de torque em motores utilizamos os dinamômetros. Internamente, a maioria dos dinamômetros possuem uma mola que se distende à medida que se aplica a ela uma força. Esse equipamento ainda relaciona o comportamento da carga alargada ou tensão por deformação de uma mola, deslocamento do ar, ou extensão de ligas metálicas. Os dinamômetros são utilizados no desenvolvimento e preparação de motores, bem como verificar as perdas por atrito na transmissão de potência até às rodas. Existem diversos tipos de dinamômetros, dos quais se destacam pela sua importância e aplicação, entre eles o dinamómetro de Bekk que serve para determinar da resistência dinâmica do papel, dinamômetro de mola que é usado para medir o peso de um corpo e o dinamômetro hidráulico que é basicamente utilizado para medir passos.
Fig. 9: Exemplo de um dinamômetro.
Quando alimentamos um motor com uma tensão determinada, ao variar a carga, ele irá fazer mais força para movimentar o eixo do outro motor que atua como dínamo. Fazendo essa força, ele reage transmitindo essa força para o braço da alavanca e com isso para o dinamômetro. Dessa forma, o dinamômetro vai indicar a força que o motor está fazendo para
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girar o motor que funciona como carga quando alimentado por determinada tensão. 2.6.2.
Transdutores de Torque
Os transdutores de torque permitem a medição direta de torque em um eixo, sendo estes medidores instalados entre a carga mecânica e o motor (elemento primário de potência). Devido a estas características de montagem, os transdutores são basicamente utilizados no desenvolvimento de máquinas rotativas como, ventiladores, bombas, turbinas e etc. Existem basicamente dois tipos de transdutores de torque: os que utilizam extensômetros e os que utilizam sensores de deslocamento indutivos. De maneira semelhante às células de carga, os transdutores de torque podem utilizar as várias configurações possíveis de montagem de extensômetros fixos ao eixo onde se está medindo o torque.
Fig. 10: Exemplo de um transdutor de torque
2.6.3.
Freio Prony
O Freio de Prony é um equipamento utilizado para medir o torque de um motor. É utilizado um tipo de freio semelhante ao freio de cinta. Um volante fixo ao eixo conectado a um braço cuja extremidade se apoia sobre um medidor de força. O volante, acionado pelo motor, tem o seu movimento restringido pelo atrito aplicado, que transmite o esforço ao braço apoiado sobre o medidor. A partir das leituras de força, calcula-se o
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torque despendido pelo motor, porém, o Freio de Prony apresenta vários inconvenientes operacionais, destacando-se o fato de manter a carga constante independente da rotação empregada.
Fig. 11: Freio de Prony
2.6.4.
Freio Hidráulico
O freio hidráulico basicamente possui um rotor que gira no interior de uma carcaça. O sistema começa quando a água entra na câmara do rotor e pela ação centrífuga a água será acelerada e lançada para a saída, formando um anel no interior da câmara do rotor. Então, a energia mecânica fornecida pelo motor será absorvida e convertida em calor no escoamento da água. O torque resultante aplica uma resistência ao movimento de rotação do rotor e tende a girar a carcaça no mesmo sentido da máquina, dessa forma, este esforço é transmitido a um medidor de força instalado a uma distância fixa da linha de centro do freio.
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Fig. 12: Freio Hidráulico
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3. CONCLUSÃO Podemos
concluir neste
trabalho
a
importância
da utilização
de
medidores de torque e força. Através deles, conseguimos possuir o controle sobre determinados equipamentos visando uma melhor eficiência do sistema e obtendo seus dados em tempo real. Os medidores de força nos permitem controlar variáveis importantes em processos, como fluxo, pressão e velocidade enquanto os medidores de torque nos fornecem uma melhor visão sobre o sistema e o seu correto dimensionamento. Percebemos que a medição de torque em motores é extremamente importante, pois evita um desgaste elevado da máquina e consegue controlar o fluxo dos produtos e de todo o processo onde está envolvido. Dessa forma, concluo a importância deste trabalho para a evolução intelectual e profissional para o entendimento de processos através da instrumentação industrial.
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4. REFERÊNCIAS
Schicker, R. e Wegener, Georg. - Measuring Torque Correctly – 2012 www.hbm.com França, F. A. - Instrumentação e Medidas: grandezas mecânicas, UNICAMP 2007 Garcia, M. V. R. – Apostila Automação I – ETEP Faculdades Viens, M. - Mesure de force, de couple, de pression et de débit – www.etsmtl.ca
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