Fique frio...

... e obtenha resultados confiáveis de medição com strain gauges, mesmo quando a temperatura muda. O artigo explica tudo o que você precisa saber!

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

As mudanças de temperatura durante a medição com strain gauges podem frequentemente ter efeitos indesejáveis no resultado da medição. Felizmente, estão disponíveis um número de opções, com a escolha correta de um strain gauge, 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.

A faixa de temperatura da folha de strain gauges 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 gauges para temperaturas mais altas que trabalham de acordo com princípios diferentes. Os limites de temperatura dos strain gauges da HBM são:

Strain gauges pré-cabeados: 150°C
série Y + G: 200°C
série C: 250°C
série M: 300°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 limites de temperatura do adesivo oferecido pela HBM são:

X60: 60°C
Z70: 120°C
P250: 250°C
X280: 280°C
EP310N: 310°C

1. Grandeza influenciada

2. Compensando as medições

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 gauges auto-compensados
Resistência do cabo	Uso de técnicas de múltiplos fios
Coeficiente de temperatura do gauge 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:
Auto-aquecimento do strain gauge	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

1. Grandeza influenciada

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.

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).

1.1 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

Compensação de Temperatura de Strain Gauges

A melhor saída possível neste caso é o uso de strain gauges auto-compensados. O comportamento da temperatura destes strain gauges 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)

1.2 Resistência do cabo

Compensação de Temperatura de Strain Gauges Quando é usado um circuito de dois condutores (veja o diagrama), a resistência de um cabo de medição é adicionada à resistência do strain gauge 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.

1.3 Coeficiente de temperatura do gauge factor

O gauge factor é a propriedade mais importante do strain gauge. 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.

Coeficiente de temperatura do gauge factor

1.4 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.

Dependência da temperatura do modulo de elasticidade

1.5 Auto-aquecimento do strain gauge (tensão de excitação)

A tensão de excitação faz com que o strain gauge 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 gauge. Isso poderia interferir com o funcionamento do strain gauge auto-compensado.

Auto-aquecimento do strain gauge (tensão de excitação)

1.6 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 gauge que estão sendo absorvidos (higroscopia). Uma contra-medida adequada é cobrir cuidadosamente o ponto de medição.

1.7 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.

2. Compensando as medições

2.1 Usando strain gauges auto-compensados

Strain gauges 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 gauge com uma resposta adequada de temperatura.

Os ajustes de temperatura para os materiais mais comuns usados com strain gauges 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 gauge 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).

Article: Determination of the Coefficient of Thermal Expansion of a Material Using Strain Gauges

Learn how the coefficient of thermal coefficient of expansion of aluminium can be determined using "mismatched" foil strain gauges.

Learn more

Artigo: Compensação de temperatura de strain gauges em ¼ de ponte com exemplo de cálculo

Entenda o cálculo de compensação aplicado a configuração de circuitos em ¼ de ponte passo a passo, baseado num exemplo prático.

Saiba mais

2.2 Circuito ponte de Wheatstone e circuito multi-cabeado

Junto com o uso de strain gauges 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 gauge (circuito de ¼ de ponte), dois strain gauges (circuito de ½ ponte) ou quatro strain gauges (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 gauges 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 gauges 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.

2.3 Computational compensation

O cálculo de compensação pode ser realizado pelo erro residual com strain gauges auto-compensados, para o erro de um strain gauge 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.

2.4 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 gauge (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 (HBM QuantumX MX1615B / QuantumX MX1616B). 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.

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

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 gauges 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 gauge e do adesivo.

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