Maikon André Bellaver

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

Campus Universitário da Região dos Vinhedos

Centro de Ciências Exatas, da Natureza e Tecnologia

Engenharia Elétrica

Alameda João Dal Sasso, 800

95700-000 – Bento Gonçalves – RS – Brasil

PONTE DE WHEATSTONE

STRAIN GAGE

  1. INTRODUÇÃO

Este projeto tem como finalidade a utilização de strain gage em ponte de wheatstone e um circuito de amplificação de sinais para a medição de esforços ou deformações em materiais rígidos e flexíveis. Esta aplicação com strain gages é muito utilizada em balanças de pequeno e médio porte, sendo aplicado também em balanças de grande porte, como medição de peso de veículos, cargas de caminhões, etc.

  1. REFERENCIAL TEÓRICO

Para a realização destes experimentos foi necessário ter como base teórica as seguintes citações:

    1. PONTE DE WHEATSTONE:

A ponte de wheatstone é um dispositivo elétrico usado como medidor de resistências elétricas. Foi inventado por Samuel Christie em 1833, porém foi Charles Wheatstone quem ficou famoso com o invento, tendo-o descrito 10 anos mais tarde.

O circuito é composto por uma fonte de tensão, um galvanômetro e uma rede de quatro resistores, sendo 3 destes conhecidos. Para determinar a resistência do resistor desconhecido os outros 3 resistores são ajustados até que a corrente elétrica do galvanômetro caia a zero.

No circuito a direita, RX é a resistência desconhecida a ser medida; R1 e R2 são resistores cujos valores são conhecidos e R3 é um potenciômetro. Se a razão entre as resistências no ramo conhecido (R1/R3) é igual a razão entre as resistências no ramo desconhecido (R3/RX), então a diferença de potencial entre os dois pontos centrais será zero e nenhuma corrente fluirá entre estes pontos. Neste caso, o voltímetro deverá mostrar o valor 0V e poderemos dizer que o circuito da ponte de wheatstone está balanceado.

Para calcular o valor de RX podemos aplicar a seguinte fórmula:

RX = R2 x R1

R3

    1. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS:

O amplificador operacional é um componente eletrônico composto por resistências, transistores, capacitores, entre outros componentes embutidos em um mesmo encapsulamento chamado CI (circuito integrado).

Os amplificadores operacionais são os principais componentes eletrônicos em projeto para condicionamento de sinais. Existem amplificadores operacionais para diversos fins, uns com baixo consumo de energia, outros para responder a diversas faixas de freqüência, outros para obter alto ganho de amplificação. De modo geral os amplificadores operacionais são indicados para situações em que é necessário alto ganho do sinal de entrada, alta impedância de entrada para não interferir com circuito de onde provem o sinal, estabilidade de leitura e imunidade a ruído.

O símbolo utilizado para representar um amplificador operacional é o da figura abaixo.

Os terminais + e – correspondem às entradas de sinais do amplificador, o amplificador é alimentado por fonte simétrica (V+ e V-), o pino Vs corresponde a saída do amplificador após ter ocorrido a amplificação da diferença dos sinais de entrada.

Dependendo da aplicação do amplificador operacional, é necessário utilizar diferentes configuração de instalação e ganho para o amplificador, destas se destacam a configuração de amplificador inversor, amplificador não-inversor, seguidor de tensão, amplificador somador, amplificador diferencial e amplificador de instrumentação.

Para este projeto será utilizada a configuração de amplificador de instrumentação.

  1. DESENVOLVIMENTO

Este projeto consiste na utilização de sensor de deslocamento ou deformação (strain gage), para a medição de peso.

O projeto é constituído basicamente por uma ponte de wheatstone e circuito de amplificação.

    1. A ponte de wheatstone:

Para esta aplicação foram utilizados dois strain gage de 120Ω modelo KFG-1-120-C1-11, do fabricante KYOWA, em configuração chamada ponte de wheatstone, como mostra a figura abaixo.

Esta ponte de wheatstone é constituída por dois strain gage (SG1 e SG2), de forma que um esteja oposto ao outro, deste modo a diferença de potencial (Vout) entre os pontos A e B será o dobro se utilizado apenas um strain gage. Os potenciômetros P1 e P2 são utilizados para zerar a ponte de wheatstone (0V em Vout), que é calibrar os dois pontos A e B para que haja uma ddp de 2,5V em referência a TERRA.

    1. Amplificador de sinal:

O strain gage se caracteriza por alterar sua resistência quando sofrer uma deformação em sua estrutura, porém esta mudança de resistência (ΔR) é muito pequena, na casa de mΩ, esta mudança de resistência causará um desequilíbrio na ponte de wheatstone, ocorrendo uma tensão Vout proporcional a deformação ocorrida com o string gage, mas por ser uma mudança muito pequena de ΔR, a resposta de Vout também será pequena, não percebível para multímetros.

Para que este desequilíbrio da ponte seja medida é necessário amplifica-la, para isto foi utilizado amplificadores operacionais.

O amplificador operacional (termo técnico - amp op) utilizado é o TL084CN, que possui em seu encapsulamento quatro amp op como mostra a figura.

Para este projeto foi utilizada a configuração de amplificador de instrumentação, que é constituído por dois amplificadores não-inversores na entrada que garantem uma alta impedância nas entradas (pontos A e B), não interferindo assim na ponte de wheatstone, e um amplificador diferencial para amplificar a diferença entre o sinal de A e B após passar pelos amplificadores não-inversores.

Esta configuração possui um controle de ganho que pode ser ajustado conforme aplicação, este ganho pode ser ajustado através do potenciômetro P3.

O circuito abaixo mostra a parte de amplificação de sinais dos pontos A e B.

A fórmula para se obter a tensão Vs a partir dos sinais A e B para esta configuração de circuito é o seguinte, lembrando que R5 = R6, R7 = R9 e R8 = R10.

Vs = (A – B) . (1 + 2 . R5) . R8

RG R7

O circuito total de projeto pode ser visto na figura abaixo.

    1. Instalação dos strain gage

Os strain gages devem ser instalados na superfície superior do material que sofrerá a deformação causada pelo peso de um objeto. O local onde serão instalados deve ser limpo para que não haja impurezas sob o strain gage, que poderá causar deformação no mesmo e posteriormente causar erro de leitura.

Para a fixação do string gage no material, deve ser aplicado adesivo líquido no lado contrário da malha resistiva do strain gage, após fixar o strain gage no material e retirar o excesso de adesivo que irá escorrer de baixo do strain gage.

O próximo passo é solda os cabos nos terminais do strain gage, primeiro os cabos devem ser fixados para que não haja esforços nos terminais do strain gage, podendo quebrar ou até movimentar o strain gage de sua posição inicial.

Finalizado o processo de soldagem dos cabos no strain gage, aplicar adesivo líquido ou fita adesiva sobre o strain gage e os cabos para melhor fixação.

    1. Instalação do circuito de amplificação

O circuito de amplificação deve ser instalado o mais próximo possível dos strain gage para minimizar problemas como ruídos, resistência de cabos, etc.

A fonte para o circuito de amplificação deve ser simétrica, podendo variar de -5V a -18V para VCC- e +5V a +18V para VCC+, sendo que estas fontes devem possuir boa filtragem de ruído e oscilação, pois podem causar oscilação na amplificação dos sinais da ponte de wheatstone e consequentemente erro de leitura em Vs.

    1. Teste de Funcionalidade

Para comprovação da eficácia deste projeto, foi construído um protótipo constituído por duas hastes de metal com alta flexibilidade, e em cada haste foi instalado um strain gage.

Para esta aplicação o ganho de amplificação foi regulado em 1115 vezes, com o potenciômetro ajustado em 85Ω e alimentação de 11,9V para VCC+ e -11,28V para VCC-.

Através desta configuração se obteve a seguinte tabela e gráfico de valores de Vs em relação ao peso aplicado nas hastes.

PESO (g)

Vs (V)

26

0,8

57

1,5

83

2,1

Através do gráfico pode-se obter a seguinte fórmula para a relação de peso e resposta do circuito.

Vs = 0,0228.PESO + 0,2051

    1. Aplicações

Este projeto pode ser aplicado em varias situação, como balanças digitais de pequeno e médio porte, em sistemas de aquisição de dados, como medição de deformação em estruturas metálicas, etc.

Para cada aplicação este produto terá uma tabela de resposta distinta, que será dependente da regulagem de ganho do circuito de amplificação, realizada através do potenciômetro P3, e também da flexibilidade do material no qual o strain gage será aplicado.

    1. Componentes que constituem o projeto

Este projeto é constituído pelos seguintes componentes:

COMPONENTE

UNIDADES

STAIN GAGE KFG-1-120-C1-11

2

TL084CN

1

LM7805

1

POTENCIÔMETRO DE PRECISÃO 100Ω

3

RESISTOR 100K

2

RESISTOR 10K

3

RESISTOR 4K7

2

RESISTOR 100Ω

4

CAPACITOR 100nF

3

  1. Conclusão

O strain gage é um componente eletrônico muito sensível a temperatura, para diminuir os efeitos da variação na resistência do strain gage é utilizado a ponte de wheatstone, no qual toda a ponte fica exposta a mesma temperatura, ocasionando que a variação de resistência que ocorrer com o strain gage será compensada pela variação de resistência do resistor em serie com o strain gage, fazendo com que a tensão entre os pontos A e B não seja alterada, para isto os resistores de configuração da ponte de wheatstone deve ter uma curva de resistência versus temperatura semelhante a curva apresentada pelo strain gage.

  1. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MALVINO – ELETRÔNICA 4ª EDIÇÃO VOL. II: Albert Paul Malvino, Editora Pearson Education

INSTRUMENTAÇÃO E FUNDAMENTOS DE MEDIDAS – VOL. I : Alexandre Balbinot e Valner João Brusamarello, Editora LTC

www.datasheetcatalog.com.br, TL084CN

www.kyowa.com, strain gage KFG-1-120-C1-11

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