Structural CALL

Andreas Brüge72 apresenta um primeiro estudo sobre a influência da rotação em transdutores de torque rotacionais calibrados em condições estáticas, onde utiliza os fundamentos da resistência dos materiais e dinâmica de estruturas para analisar a influência da velocidade de rotação do transdutor na leitura do torque. A teoria de força centrípeta é aplicada ao corpo do transdutor (eixo cilíndrico) em rotação para a determinação analítica da influência desta força na sensibilidade do transdutor, ou seja, quando a variação de resistência elétrica é proporcional ao valor nominal de torque. O autor conclui que, para velocidades abaixo de 600 rpm, a prática comprovou a teoria, com influência da velocidade sendo menor que 0,1 %. Para velocidades mais altas, a avaliação da alteração do valor de torque zero mostrou alteração na ordem de 0,1%/1000 rpm. Ao final do artigo, o autor destaca que o sistema utilizado para verificação em alta velocidade do torque zero poderá apresentar melhores resultados se o dispositivo de conexão do eixo, no caso o mancal de rolamento, for substituído por mancais com outros princípios e menor atrito.

Andrae et. al.34 apresentam um estudo sobre a influência da velocidade na medição de torque. O método utilizado consiste em comparar leituras de torque simultâneas do transdutor e do dinamômetro de reação, que é realizada estaticamente, como exemplifica a Figura 2.16. Os resultados mostram um desvio de menos de 0,02% entre o transdutor em linha (flanges de torque) e a célula do dinamômetro. Concluiu-se que a maior influência para isso deve-se a um desvio da linearidade e existência de histerese no eixo de medição.

O uso de transdutores de torque em linha para medição da grandeza em bancos de teste de motores é uma das aplicações mais frequentes destes instrumentos, uma vez que substituíram a medição indireta do torque que era feita por células de carga acopladas à carcaça dos freios dinamométricos. Essa aplicação tem sido objeto de estudos de vários autores na tentativa de adaptação dos

parâmetros estáticos, obtidos da calibração destes sensores, às demandas dinâmicas desses processos.

Figura 2.16 - Sistema tradicional de medição do torque em bancadas dinamométricas34. As tolerâncias para o torque estão em torno de 2% para motores a combustão e 0,5% para motores elétricos. Isso se deve principalmente às medições nos motores elétricos que ocorrem em patamares constantes de torque e de velocidade angular34; 35; 36; 37; 45.

Andrae73 e Bruns e Wegener74 publicaram dois artigos sobre as principais considerações para a transmissão de torque nos eixos de bancos de ensaio de motores com uma abordagem a esta calibração. Quando estes transdutores são usados em linha, há uma série de parâmetros estáticos e dinâmicos que, a depender de fatores como montagem, estrutura, acoplamentos, alinhamento de componentes e o comportamento elástico das articulações, podem influenciar na incerteza de medição do transdutor, originalmente obtida a partir da calibração estática realizada no sistema padrão de um laboratório e baseada na norma DIN 5130957.

Segundo os autores, o método mais utilizado na verificação dos bancos de teste de motores é o sistema com massa e braço de alavanca, embora este método apresente problemas, como o surgimento de forças parasitas quando o braço não esta sobre suportes (Figura 2.17a) e problemas de atrito nos rolamentos quando estes são utilizadas, tais como apoio para o braço e transdutores (Figura 2.17b). Todas essas desvantagens podem ser evitadas se transdutores de torque de referência são usados em substituição aos sistemas de braço de alavanca (Figura 2.17c).

No entanto, mesmo os sistemas que usam transdutores de torque de referência, onde apenas as duas leituras de torque deveriam ser consideradas para a comparação, ainda não é suficiente para caracterizar o banco de testes, uma vez que se entende que a calibração do transdutor de referência, realizada em

laboratório, utiliza condições de montagens e acionamento estático totalmente diferentes daqueles aplicados in loco.

Figura 2.17 - Métodos propostos para a calibração de bancos de testes de motores in loco73. Desta forma, os autores sugerem que os bancos de testes devam ser certificados ou verificados considerando os desvios devido às influências da montagem. Outro ponto destacado é que, pela ausência de um procedimento normalizado para estes testes, o único parâmetro adotado para a estimativa da incerteza é o máximo desvio entre as leituras, muitas vezes realizadas em uma só posição de montagem, o que é insuficiente para aplicações que demandam exatidão no nível de 0,1%, por exemplo. São então enumerados alguns procedimentos preliminares aos testes, no intuito de minimizar a influência na estimativa final da incerteza de medição de alguns parâmetros como cargas parasitárias, adaptação dos transdutores e transmissão assimétrica do torque.

Os autores definem dois métodos para a qualificação dos bancos. O primeiro método consiste no uso de um transdutor de torque, proveniente da calibração em laboratório, como o único membro do sistema de referência. A exatidão e a estimativa da incerteza de medição definitivamente dependem dos desvios entre as condições ambientais e de montagem do laboratório de calibração e do local da aplicação. O segundo método proposto pelos autores é a substituição do transdutor de torque de banco de teste por um transdutor de referência. Assim, o valor de torque calibrado deverá ser aquele gerado pela própria unidade do banco de teste. O transdutor de referência deve ter a mesma geometria e conexões mecânicas do transdutor original do banco.

Wegener e Andrae75 introduzem um método para a estimativa da incerteza de medição de torque em bancos de testes de motores levando em consideração os efeitos presentes nestas aplicações dinâmicas. O modelo inclui os parâmetros conhecidos de calibrações em laboratório dos transdutores como histerese, linearidade, interpolação e reprodutibilidade, mas com ênfase nos parâmetros in loco dos bancos como temperatura, cargas parasitas e velocidade de rotação. Os autores mostram onde os parâmetros levantados estão atuando, se no transdutor ou no sistema em que está acoplado. Mostram também as fontes para sua obtenção, como data-sheet, certificado de calibração, relatório de ensaio ou experiência prática. Alguns efeitos são determinados por propriedades além do transdutor, como o atrito nos rolamentos e o torque requerido para a aceleração dos componentes do eixo devido as suas inércias.

Ao final do artigo, os autores sugerem quatro abordagens para minimização dessas influências nos bancos de teste. Ou seja, a utilização de um transdutor de boa qualidade, uma maior exatidão para determinação das propriedades dos transdutores, como a calibração com base nas normas de calibração, melhores condições para a aplicação, como a utilização dos mesmos acoplamentos que tenham sido usados durante a calibração do sensor e, por fim, melhores conceitos e processos metrológicos aplicados, como pré-cargas para eliminar os efeitos de forças remanescentes e realização de corridas com o eixo desconectado para obtenção dos valores de referência iniciais.