BR102020022034A2

BR102020022034A2 - Método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos

Info

Publication number: BR102020022034A2
Application number: BR102020022034-9A
Authority: BR
Inventors: Andre Garcia Lima Suetti
Original assignee: Tmd Friction Do Brasil S.A.
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-05-10
Also published as: CN116670468A; WO2022087699A1

Abstract

A invenção oferece técnicas voltadas à pesagem, principalmente à pesagem de corpos que possuem características ferromagnéticas. Quando aplicada a corpos ferromagnéticos, a invenção também apresenta solução para a determinação da susceptibilidade magnética dos referidos corpos, sendo particularmente útil na análise de corpos constituídos de materiais compósitos. A invenção também provê solução para a pesagem de corpos que estão em movimento, como peças sendo transportadas em uma esteira. Para tanto, a invenção propõe dispositivos mecânicos simples, confiáveis, baratos e de fácil produção a serem utilizados em conjunto com os métodos e equipamentos propostos. A invenção difere-se do estado da técnica propondo uma melhoria na pesagem tradicional, bem como apresenta dois novos conceitos interrelacionados ao problema. Sobre a melhoria na pesagem tradicional, propõe-se uma solução do tipo atrai-mede-solta e, sobre novos conceitos de pesagem, apresentam-se a equivalência eletromagnética e medição de massa por frequências naturais.

Description

MÉTODO, DISPOSITIVO MECÂNICO E EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS

[001] A invenção trata de um método, um dispositivo mecânico e um equipamento para medição de massa ou peso, susceptibilidade magnética ou quantidade de material ferromagnético ou quantidade de ferro em corpos ferromagnéticos, bem como qualificação, classificação e seleção dos referidos corpos ferromagnéticos, a qual oferece técnicas voltadas à pesagem, principalmente à pesagem de corpos que possuem características ferromagnéticas. Quando aplicada a corpos ferromagnéticos, a invenção também apresenta solução para a determinação da susceptibilidade magnética dos referidos corpos, sendo particularmente útil na análise de corpos constituídos de materiais compósitos. Também provê mecanismos para a pesagem de corpos que estão em movimento, como peças sendo transportadas em uma esteira.

[002] Para tanto, a invenção propõe dispositivos mecânicos simples, confiáveis, baratos e de fácil produção a serem utilizados em conjunto com os métodos e equipamentos propostos. A invenção propõe três novos conceitos inter-relacionados com pesagem: a aqui chamada solução do tipo atrai-mede-solta, a solução aqui chamada de equivalência eletromagnética e a aqui chamada de medição de massa por frequências naturais.

CAMPO DA INVENÇÃO

[003] O Método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, objetos da presente invenção, enquadram-se ao setor técnico de pesagem, ao setor de determinação da composição de corpos de materiais sólidos e ao setor de medições de características ferromagnéticas de sólidos através de experimentos, para qualquer área industrial.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[004] O Método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, objetos da presente invenção, têm por objetivo propor ao mercado pertinente uma solução para a determinação da susceptibilidade magnética dos referidos corpos de materiais sólidos, sendo particularmente útil na análise de corpos constituídos de materiais compósitos. Também é objetivo da invenção a pesagem de corpos que estão em movimento, como peças sendo transportadas em uma esteira. Para tanto, a invenção propõe dispositivos mecânicos simples, confiáveis, baratos e de fácil produção a serem utilizados em conjunto com os métodos e equipamentos propostos, em substituição às balanças mecânicas tradicionais.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA

[005] A concepção da invenção envolve conceitos antigos de pesagem. Os parágrafos seguintes referem-se a fundamentos difundidos no estado da técnica, porém fundamentais à concepção da invenção.

[006] Em primeiro lugar, diferenciam-se os conceitos de massa e peso. Massa é uma grandeza escalar que se refere à tendência natural de um corpo em se opor a alterações de seu estado original de repouso ou movimento. Peso P é uma força, portanto, uma grandeza vetorial, que relaciona a massa m com a aceleração da gravidade local g, através da aplicação da segunda lei de Newton:

[007] No Sistema Internacional de Unidades, massas são medidas em quilograma (kg) e acelerações são medidas em metro por segundo ao quadrado (m / s²). Por consequência, pesos são medidos em quilograma metro por segundo ao quadrado (kg m / s²), unidade também conhecida por newton (N). As balanças de pesagem (“balanças”) conhecidas no estado da técnica dependem do campo gravitacional ao qual estão sujeitas. Portanto, balanças tradicionais medem peso, e não massa. Tal fato é constatado pela premissa básica de que a direção de medição das balanças tradicionais é, obrigatoriamente, a mesma direção da aceleração da gravidade: vertical.

[008] Embora as definições acima sejam bastante claras e conhecidas há séculos, é comum os conceitos de massa e peso confundirem-se com frequência. A confusão é intensificada pelo uso da unidade quilograma-força (kgf) para medição de peso, que se assemelha a quilograma (kg), unidade de massa. Contudo, tal confusão geralmente não acarreta graves consequências, uma vez que, por definição, um corpo de massa 1 kg tem um peso de 1 kgf no planeta Terra. A vasta maioria das aplicações de engenharia restringe-se à Terra, que possui gravidade aproximadamente constante de 9,81 m/s². Portanto, através da Equação 1, deduz-se que um corpo de massa 1 kg possui um peso de 9,81 N ou, por definição, 1 kgf. Tal esclarecimento sobre massa e peso tem particular relevância na explicação da Variante C da presente invenção, mostrada adiante.

[009] Com referência aos conceitos de pesagem, a Figura 1 ilustra a concepção primitiva de balança, composta por um sistema de alavanca (1). A balança consiste em dois pratos (2) suspensos cada qual em um lado (3) de da referida alavanca (1), sendo que os dois lados (3) da alavanca possuem distâncias geralmente iguais até o fulcro (4).

[0010] O princípio de funcionamento baseia-se em equalizar o torque gerado pelos dos dois lados (3) da alavanca (1) no ponto do fulcro (4), por meio do ajuste de pesos contidos nos dois pratos (2), através da verificação da perfeita horizontalidade da alavanca (1), condição que representa um momento torsor nulo no fulcro (4). Para tanto, em um dos pratos (2) é posto o corpo a ser pesado (“corpo”) (5) e, no outro prato (2), são colocados pesos (6) de valores conhecidos.

[0011] A evolução da balança mecânica passa por Gilles de Roberval que, em 1669, inventou um mecanismo mostrado na Figura 2, particularmente relevante também para a Variante C da presente invenção, que será vista adiante. Em linhas gerais, o referido mecanismo (7) utiliza um conceito geométrico para reduzir a influência do posicionamento do corpo (5) sobre o prato (2) da balança. No conceito de pesagem por simples alavanca, mostrado na Figura 1, o corpo (5) apresenta um menor peso se for colocado mais perto do fulcro (4) e maior peso se for colocado mais afastado do fulcro (4). A Figura 2 mostra a solução apresentada por Roberval, em que a simples alavanca (1) é substituída por um mecanismo de paralelogramo (7) com dois fulcros (4) e com articulações (8) na coluna dos pratos (2), o que garante um movimento vertical dos pratos (2) e, consequentemente, elimina a variação de pesagem devida ao posicionamento do corpo (5). Ainda sobre balanças mecânicas, Richard Salter, em 1770, inventou a balança de mola, que, fundamentado na teoria da elasticidade, mais especificamente na lei de Hooke em sua mínima forma, correlaciona a deformação de uma mola com o peso do corpo a ser pesado. Apesar de serem inicialmente aplicados a balanças mecânicas, os conceitos explorados por Roberval e Salter serviram de base para muitos conceitos atuais de balanças eletrônicas.

[0012] As balanças de célula de carga (“balanças de célula”), são dispositivos eletromecânicos que surgiram em decorrência da invenção da célula de carga extensométrica que, por sua vez, surgiu da união de invenções relevantes: o conceito já explicado da balança de Salter, a ponte de Wheatstone, o extensômetro e, ocasionalmente, o mecanismo de Roberval. Em linhas gerais, a ponte de Wheatstone, inventada no século XIX por Samuel Hunter Christie e melhorada por Sir Charles Wheatstone, permite a leitura de variações de resistência muito pequenas em um resistor ou em um circuito resistivo. O extensômetro, por sua vez, foi inventado em 1938 por Edward E. Simmons e Arthur C. Ruge, e consiste na colagem de um filamento eletricamente resistivo em uma estrutura mecânica, sendo que tal filamento resistivo altera sua resistência elétrica proporcionalmente à deformação da estrutura mecânica à qual ele está aderido. Como a variação de resistência é extremamente pequena, é prática comum utilizar pontes de Wheatstone para a leitura da resistência de extrensômetros. Células de carga extensométricas em sua essência são, portanto, estruturas mecânicas (molas com deformações relativamente pequenas) em que são aderidos extensômetros que estão eletricamente ligados a uma ponte de Wheatstone, gerando um sinal proporcional à força aplicada à estrutura mecânica.

[0013] A aplicação do mecanismo de Roberval em células de carga (9) é exposta na Figura 3, onde os fulcros articulados (4) são substituídos por finas regiões (10) da estrutura mecânica, bem como as articulações da coluna do prato (8) são substituídas por finas regiões (11) próximas à coluna (12) de aplicação da força a ser medida.

[0014] Usualmente, aderem-se os extensômetros (13) nas regiões (10,11) que equivalem aos fulcros e articulações por serem regiões sujeitas à maior deformação. Nota-se, portanto, que a coluna (12) tem um movimento aproximadamente vertical, assim como ocorre nas colunas dos pratos do tradicional mecanismo de Roberval, da Figura 2.

[0015] Não está claro na literatura quando as células de carga foram aplicadas especificamente em balanças, embora a dedução desta aplicação seja quase óbvia. No entanto, na década de 1970 e 1980, empresas como Toledo e Mettler patentearam alguns dos primeiros tipos de balanças com características específicas (US4236222, US3939332, US3962570, US3962569, US3984667, US3986012, US4181946, US4204197, US4236222, US4310893, US5623128).

[0016] As balanças de compensação eletromagnética utilizam um conceito completamente diferente para realizar a pesagem. A Figura 4 apresenta o conceito básico (14), que foi inicialmente protegido por Lee Cahn em 1963 (US3224517) onde, em linhas gerais, um eletroímã (15) gera uma força para suspender o prato (2) em que está posto o corpo (5), de forma a reestabelecer a posição do prato (2) sem carga. Um sensor de posicionamento (16) informa ao módulo de controle (17) quando a posição é reestabelecida. A potência elétrica consumida pelo eletroímã (15) no momento em que a posição é reestabelecida é proporcional ao peso do corpo (5) em adição ao prato (2). Uma aplicação mais recente da técnica de compensação eletromagnética é encontrada no documento US2012181094A1.

[0017] As balanças atuais comuns, sejam baseadas em células de carga extensométricas ou em compensação eletromagnética, requerem que o corpo seja colocado sobre o prato da balança, o que dificulta o uso dessas balanças na pesagem de corpos em movimento. Entretanto, o estado da técnica contempla alguns inventos voltados a esse fim: patentes como CN106768248A, CN109186723A e US3101800A possuem o objetivo de pesar corpos em movimento, porém ainda requerem que o corpo repouse sobre um prato ou equivalente; patentes como CA2229237A1 e US5856637A contemplam um dispositivo de ligação entre uma esteira transportadora e o equivalente prato da balança, com o intuito de desacoplar fisicamente a esteira da balança; patentes como RU2013127573A e JP2002277309A referem-se a esteiras transformadas em balanças.

[0018] Não está contemplada no estado da técnica uma solução que atraia o corpo da superfície que o transporta, meça o seu peso ou massa e solte-o através de um dispositivo mecanicamente simples, estacionário, sem articulações.

PROBLEMA A SER RESOLVIDO

[0019] A presente invenção contempla uma solução para o problema, através da concepção de dispositivos com poucos componentes, sem partes móveis, baratos de serem concebidos, opcionalmente baseados em atração eletromagnética e facilmente adaptáveis a superfícies transportadoras que já estão projetadas ou instaladas.

[0020] Quando o dispositivo utiliza atração eletromagnética, uma premissa para a aplicação é que o corpo a ser pesado tenha composição ferromagnética. A título de nomenclatura, chama-se de “Variante A” a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado a uma pesagem por célula de carga.

[0021] Além de ser uma solução para pesagem de peças em movimento, a invenção aborda dois novos conceitos de pesagem que são inter-relacionados ao problema inicial: o primeiro novo conceito fundamenta-se em eletromagnetismo, porém não é baseado no restabelecimento da posição do prato, como é o caso das balanças de compensação eletromagnética, mas é baseado em uma força eletromagnética diretamente equivalente ao peso do corpo. Nomeia-se este novo conceito de pesagem como equivalência eletromagnética. Quando é aplicado o conceito “atrai-mede-solta” à dita equivalência eletromagnética, dá-se o nome de “Variante B”.

[0022] O segundo novo conceito de pesagem proposto, totalmente distinto do que é conhecido no estado da técnica, é chamado aqui de medição de massa por frequências naturais, e baseia-se na análise de vibrações de um sistema mecânico composto por uma estrutura especialmente projetada para esse fim engastada ao corpo. Ao se aplicar o conceito “atrai-mede-solta” à medição por frequências naturais, dá-se o nome de “Variante C”. A principal vantagem da medição de massa por frequências naturais está na aplicação dinâmica da invenção: enquanto os conceitos tradicionais de pesagem são afetados negativamente por uma possível vibração do corpo ou do conjunto, a pesagem por frequências naturais é positivamente afetada por tal circunstância: é necessário que o sistema vibre para a realização da pesagem. Outra vantagem relevante da medição por frequências naturais é que, diferentemente dos conceitos de pesagem, ela não pesa o corpo, ela mede a massa do corpo, o que significa que tanto variações no campo gravitacional quanto a direção do posicionamento do dispositivo não influenciam o resultado da medição, tornando-a apta para aplicações em campos gravitacionais desconhecidos e até na ausência de campos gravitacionais.

[0023] Diferentemente das Variantes A e B, a medição de massa por frequências naturais não requer, obrigatoriamente, um dispositivo que execute o método atraimede-solta. Nesse caso, dá-se o nome de “Variante D”.

[0024] Outros problemas técnicos possíveis de serem resolvidos com a presente invenção tratam da determinação da susceptibilidade magnética de corpos, assim como da determinação da quantidade de material ferromagnético de corpos, principalmente corpos constituídos por materiais compósitos. Documentos como JPH07306185A e JPA63217266 tratam destes tópicos de uma forma completamente diferente da proposta aqui. A presente invenção aborda soluções baseadas na união de conceitos aqui propostos: o conceito da pesagem por célula de carga em adição à equivalência eletromagnética (“Variante E”) e o conceito da medição de massa por frequências naturais em adição à equivalência eletromagnética (“Variante F”).

[0025] Outro problema técnico de possível aplicação da invenção é a análise de peças produzidas em linha de produção, sendo que qualquer uma das Variantes pode ser utilizada para qualificar, classificar ou selecionar as peças de acordo com o resultado das medições.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0026] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

[0027] A Figura 1 refere-se ao estado da técnica exemplificando a balança primitiva.

[0028] A Figura 2 refere-se ao estado da técnica exemplificando o mecanismo de Roberval tradicional.

[0029] A Figura 3 refere-se ao estado da técnica exemplificando o mecanismo de Roberval aplicado a uma célula de carga contemporânea.

[0030] A Figura 4 refere-se ao estado da técnica, exemplificando a balança por compensação eletromagnética.

[0031] A Figura 5 apresenta a vista lateral em corte do esquema básico da Variante A, da invenção aqui proposta.

[0032] A Figura 6 apresenta o sistema mecânico dinâmico equivalente ao esquema básico da Variante A

[0033] A Figura 7 apresenta a vista lateral em corte de uma versão funcional da Variante A.

[0034] A Figura 8 apresenta a vista isométrica em corte do dispositivo mostrado na Figura 7.

[0035] A Figura 9 esquematiza a linha de tempo de atuação do dispositivo mostrado na Figura 7

[0036] A Figura 10 apresenta a vista lateral em corte do esquema básico da Variante B.

[0037] A Figura 11 esquematiza a linha de tempo da aplicação de PWM (pulse width modulation ou modulação de largura de pulso) aplicada à Variante B da invenção aqui proposta

[0038] A Figura 12 apresenta a vista lateral de uma versão funcional da Variante C da invenção aqui proposta.

[0039] A Figura 13 apresenta a vista frontal do dispositivo mostrado na Figura 12.

[0041] A Figura 15 ilustra o conceito de “oito aberto em uma extremidade”, aplicado ao dispositivo mostrado na Figura 12.

[0042] A Figura 16 ilustra o conceito de “forquilha”, aplicado ao dispositivo mostrado na Figura 12.

[0043] A Figura 17 apresenta as dimensões críticas do dispositivo mostrado na Figura 12.

[0044] A Figura 18 apresenta a vista lateral de uma versão funcional da Variante D da invenção aqui proposta.

[0045] A Figura 19 apresenta a vista isométrica do dispositivo mostrado na Figura 18.

[0046] A Figura 20 apresenta a vista lateral do dispositivo mostrado na Figura 18 em que foi adicionado um subsistema de martelo excitador.

[0047] A Figura 21 apresenta a vista frontal do dispositivo mostrado na Figura 20.

[0048] A Figura 22 apresenta a vista posterior do dispositivo mostrado na Figura 20.

[0049] A Figura 23 apresenta um detalhamento da Figura 20, mostrando os componentes na região de excitação.

[0050] A Figura 24 apresenta a vista superior de uma linha de produção em que foi instalado o equipamento para análise de peças.

[0051] A Figura 25 apresenta a variação de posicionamento do corpo do exemplo de concretização da invenção. ح

DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO

[0052] O método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos, objeto da presente invenção, trata-se de um método, um dispositivo mecânico e um equipamento para medição de massa ou peso, susceptibilidade magnética ou quantidade de material ferromagnético ou quantidade de ferro em corpos, bem como qualificação, classificação e seleção dos referidos corpos.

[0053] Quando aplicado a um corpo ferromagnético, o método para medição de massa ou peso de um corpo ferromagnético (5), compreende as etapas de: 1 - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 2 - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21), devido à força eletromagnética exercida pelo eletroímã(s) atuador(es) (20); 3 - medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); 4 - desacionamento do(s) eletroímã(s) atuadore(s) (20); e 5 - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5), conceituando o termo “atrai-mede-solta”.

[0054] Também quando aplicado a um corpo ferromagnético, o método para determinação da susceptibilidade magnética ou para determinação da quantidade de material ferromagnético ou para determinação da quantidade de ferro de um corpo ferromagnético (5) compreende as etapas de: 1 - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 2 - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeça(s) de impacto (20), devido à força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 3 - medição de massa ou peso do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); 4 - decremento gradual da força eletromagnética do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) até que esta referida força eletromagnética seja menor do que a força peso do corpo (5); 5 - leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) no instante final da etapa 4; e 6 - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5).

[0055] A etapa 3, referente à medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), pode conter a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5), sendo o referido sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si, ou o referido sinal pode ser obtido pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20).

[0056] Ainda com relação à etapa 3, referente à medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), tal medição pode ser obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) que é composto por um dispositivo mecânico (40) e o corpo (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40).

[0057] O método para qualificação, classificação ou seleção de um corpo ferromagnético (5) compreende as etapas do método acima descrito, contendo, ainda, as etapas de: 1 - análise do resultado da referida medição, através de comparação com valores pré-estabelecidos, comparação com dados estatísticos de corpos previamente medidos ou algoritmo de redes neurais artificiais; e 2 – opcionalmente a manipulação dos corpos com base no resultado da referida análise.

[0058] O Dispositivo mecânico (18) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5), onde a medição de peso é obtida pelo processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si, compreende: uma ou uma pluralidade de células de carga (19); um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21); e nenhum, um ou uma pluralidade de elementos amortecedores (22).

[0059] O Dispositivo mecânico (33) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) obtida pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); compreende: um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); um ou uma pluralidade de sensores de presença (34); e nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21).

[0060] O Dispositivo mecânico (40) para de medição de massa do corpo ferromagnético (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo ferromagnético (5), obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) com o corpo ferromagnético (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40), possui um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores, bem como nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto, formando um sistema mecânico que possui a concomitância de: pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de massa do referido corpo e menos afetada pelo posicionamento do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico; e pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de posicionamento do referido corpo e menos afetada pela variação de massa do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico.

[0061] O dispositivo mecânico (40) ainda está composto por carretéis (41) e estrutura (42), de tal forma que, quando está com um corpo ferromagnético (5) engastado em sua extremidade, forma um sistema mecânico (45) que possui, concomitantemente: a frequência natural do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz mais influenciada pela massa do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pelo posicionamento do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45); e a frequência natural do primeiro modo de torção no plano xz mais influenciada pelo posicionamento do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pela massa do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45).

[0062] O Dispositivo mecânico (40), ainda pode possuir, adicionalmente, um subsistema que exerce a função de martelo modal, composto por suporte (47), viga elástica (48), opcional encosto mecânico (49) e cabeça marteladora (50).

[0063] Por fim, a invenção engloba um Equipamento (52) configurado a realizar o método acima descrito, equipamento o qual compreende o Dispositivo mecânico (18) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) ou o Dispositivo mecânico (33) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) ou o Dispositivo mecânico (40) para de medição de massa do corpo ferromagnético (5), contendo ainda hardware e software de controle (54) e opcional manipulador de corpos (55).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0064] Como apresentado nas soluções propostas pela presente invenção, abordam-se seis variantes da invenção, sendo que:

[0065] a “Variante A” é a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado a uma pesagem por célula de carga, podendo ser utilizada quando o corpo a ser pesado tem composição ferromagnética;

[0066] a “Variante B” é a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado à pesagem por equivalência eletromagnética, utilizado quando o corpo possui composição ferromagnética;

[0067] a “Variante C” é a associação do conceito “atrai-mede-solta” à medição de massa por frequências naturais, também aplicada a corpos ferromagnéticos. [064] a “Variante D” é a aplicação da medição por frequências naturais sem a necessidade da concomitância da aplicação do conceito “atrai-mede-solta” e, consequentemente, sem a necessidade de o corpo possuir características ferromagnéticas.

[0068] a “Variante E” consiste na junção de uma pesagem por célula de carga em adição ao conceito de equivalência eletromagnética, acima citados, visando obter informações da susceptibilidade magnética do corpo; e

[0069] Assim como a “Variante E”, a “Variante F” também visa obter informações das características magnéticas do corpo, contudo, através da junção de medição de massa por frequências naturais e o conceito de equivalência eletromagnética.

Variante A.

[0070] A Figura 5 apresenta a visão esquemática básica da Variante A, que consiste em uma disposição mecânica (18) verticalmente em série de uma célula de carga (19), um eletroímã atuador (20) e sua respectiva e opcional cabeça de impacto (21).

[0071] Opcionalmente, pode haver um elemento amortecedor (22) em paralelo com a célula de carga (19). Tal disposição mecânica está engastada a um suporte inercial (23) e intenta pesar um corpo (5) que possui propriedades ferromagnéticas.

[0072] Para fazer a medição, aciona-se eletricamente o eletroímã atuador (20) e este atrai o corpo (5), impactando-o e engastando-o contra o eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21). Após o referido engaste do corpo, faz-se a leitura do sinal elétrico da célula de carga (19) através da aplicação de métodos extensométricos conhecidos do estado da técnica, pesando-se o corpo (5). O acionamento do eletroímã atuador (20) e a leitura do sinal da célula de carga (19) são feitos por um ou hardwares eletro-eletrônico (24). São bem conhecidos os métodos e boas práticas para pesagens baseadas em células de carga, como a subtração da tara, calibração, etc. sendo tais métodos aplicáveis à Variante A.

[0073] Como o propósito é medir uma carga estática, deve-se evitar o uso de células de carga do tipo piezoelétricas que, embora muito rígidas, são mais aptas à medição de forças dinâmicas. Para cargas estáticas, é comum a aplicação de células de carga extensométricas, como descrito nos fundamentos da invenção. Contudo, células extensométricas possuem uma constituição de rigidez proporcional a seu range de medição, o que as torna, inevitavelmente, um elemento que favorece a ocorrência de vibrações no sistema. Sabe-se que vibrações são indesejáveis na medição de cargas estáticas e, para contornar o problema, a Variante A pode conter um elemento amortecedor (22) paralelo à célula de carga (19) a fim de dissipar a energia do impacto do corpo (5) e, consequentemente, minimizar ou eliminar a vibração.

[0074] O meio mais fácil para se projetar o eletroímã atuador (20), bem como seu acionamento, é definir a tensão de aplicação a ser requerida por um eletroímã conhecido, dada por (adaptado de Physics, Chapter 32 Electromagnetic Induction - Robert Katz Publications):

em que U é tensão de a ser aplicada ao eletroímã atuador (20) (V); A é a área da seção transversal da bobina do eletroímã atuador (20) (m²); R é resistência da referida bobina (Ω); n é quantidade de espiras do eletroímã atuador (20); d1 é o vão entre o corpo (5) e a face do eletroímã atuador (20) ou da opcional cabeça de impacto (21) (m); d2 é a espessura da opcional cabeça de impacto (21) (m); mp é a massa do corpo (5) (kg); g é a aceleração da gravidade (m/s²);  é a constante magnética (adotada 4××10-7) e δ é um fator para ajuste do tipo de corpo (5). Tal fator δ é num número adimensional entre 0 e 1, onde δferrite ≈ 1, e está correlacionado com a suscetibilidade magnética do corpo a ser atraído. A partir da definição da tensão de aplicação, analisa-se se o eletroímã atuador (20) suporta tamanha tensão para o tempo de suspensão do corpo (5) e leitura do peso.

[0075] O tempo t1 de suspensão do corpo (5) pode ser obtido, aproximadamente, por

onde Fe é a força que o eletroímã atuador (20) aplica ao corpo (5) no momento inicial da suspensão, dada por

[0076] Do ponto de vista de vibrações mecânicas, um sistema dinâmico que pode representar a versão básica da Variante A é encontrado na Figura 6. Como pode ser visto, minimiza-se a proposta para um sistema de um grau de liberdade. Considera-se a célula de carga (19) como um elemento puramente elástico, sem massa, com constante de rigidez kc. O opcional elemento amortecedor (22) possui uma constante de amortecimento c e a massa mt vibrante é dada pela soma das massas do eletroímã atuador (20) e da opcional cabeça de impacto (21) mec em adição à massa mp do corpo (5).

[0077] O dimensionamento do opcional elemento amortecedor (22) é tal que torne o sistema criticamente amortecido: deseja-se que o sistema não vibre e estabilize-se o mais rápido possível, para posterior medição de peso. Para tanto, a constante de amortecimento c necessária é encontrada a partir de

[0078] Também para contornar o problema de vibração, pode-se enrijecer o dispositivo para receber o impacto do corpo. Uma proposta nesta direção é vista no dispositivo funcional apresentado na Figura 7 e na Figura 8. Em tais figuras podem ser encontrados os componentes já mencionados anteriormente, além de um ou mais eletroímãs pré-tensionadores (25), um êmbolo (26), um ou mais opcionais elementos ferromagnéticos (27) e um estator (28). Em sistemas de pesagem convencionais, é comum a adoção de mais de uma célula de carga para contornar problemas de posicionamento do corpo, solução opcionalmente aplicável ao conceito inventivo proposto.

[0079] O estator (28) está engastado em um suporte inercial (23). Fixo ao estator (28), encontra-se o eletroímã pré-tensionador (25) e uma ou mais células de carga (19). O êmbolo (26) é flutuante dentro do sistema, e sustenta o eletroímã atuador (20), o opcional elemento ferromagnético (27) e o anel amortecedor (29). O opcional elemento ferromagnético (27) é necessário quando o êmbolo (26) é feito com um material não ferromagnético. A linha de tempo de atuação segue o diagrama da Figura 9, onde o tempo transcorre da esquerda para direita e está representada a atuação (30) do eletroímã pré-tensionador (25), a atuação (31) do eletroímã atuador (20) e a medição (32) de peso.

[0080] O processo descreve as etapas: 1 - energiza-se o eletroímã pré-tensionador (25), atraindo o êmbolo (26) contra o estator (28) em suas faces cônicas, fazendo com que o sistema fique rígido na direção vertical, principalmente no sentido de baixo para cima; 2 - energiza-se o eletroímã atuador (20), que atrai e engasta o corpo (5) contra o próprio eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21); 3 - após o engaste do corpo (5), desenergiza-se o eletroímã pré-tensionador (25), fazendo com que a massa do êmbolo (26) e de tudo o que está engastado a ele (27;29;20;5) repouse sobre a(s) célula(s) de carga (19); 4 - efetua-se a medição de peso através da leitura do(s) sinal(is) da(s) célula(s) de carga (19); 5 - desenergiza-se o eletroímã atuador (25), permitindo que o corpo (5) caia.

[0081] [077] Ressalta-se que o vão entre o êmbolo (26) e a(s) célula(s) de carga (19), durante a etapa 2 ou entre o êmbolo (26) e o estator (28), durante a medição, é consideravelmente pequeno, o suficiente para desencostar o êmbolo (26) do estator (28) durante a medição. Isso garante que o impacto sobre a(s) célula(s) de carga (19) na etapa 4 seja pequeno e o sistema oscile com uma amplitude pequena e rapidamente dissipável. Considera-se a associação da pluralidade de células de carga (19), quando há, como um único elemento elástico, de forma que o sistema ainda possa ser simplificado para um grau de liberdade. Elimina-se a necessidade de um elemento amortecedor dedicado, sendo que a principal função do anel amortecedor (29) é distribuir o peso entre a pluralidade de células (19). O formato cônico da interface entre o estator (28) e o êmbolo (26) garante o posicionamento no plano horizontal, com o objetivo de minimizar variações de posicionamento que influenciam negativamente a pesagem.

Variante B

[0082] A variante B visa pesar corpos ferromagnéticos que possuam susceptibilidades magnéticas iguais, como, por exemplo, peças iguais sendo produzidas em uma linha de produção. A Figura 10 esquematiza um dispositivo (33) funcional da Variante B, constituída do eletroímã atuador (20), da opcional cabeça de impacto (21) e do sensor de presença (34), que detecta a peça engastada ao eletroímã atuador (20) ou engastada à opcional cabeça de impacto (21).

[0083] A linha de tempo da atuação consiste em: 1 - Energizar o eletroímã atuador (20) com potência suficiente para atrair o corpo (5) e engastá-lo contra o eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21); 2 - Reduzir gradativamente a potência aplicada ao eletroímã atuador (20), até que o peso do corpo (5) seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo eletroímã atuador (20) contra o corpo (5), fazendo com que o corpo (5) desengaste-se do eletroímã atuador (20) ou da opcional cabeça de impacto (21) e inicie uma queda livre, instante detectado pelo sensor de presença (34).

[0084] Uma vez que a susceptibilidade magnética dos corpos (5) a serem pesados é igual, a potência (ou tensão, se a resistência do circuito for constante) aplicada ao eletroímã atuador (20) no instante do desengaste é proporcional ao peso do corpo (5).

[0085] O controle da potência aplicada ao eletroímã atuador (20) é dado por um sistema de controle (35) e pode ser feito de várias formas, sendo as mais comuns: através de um drive de corrente contínua, através de um inversor de frequência de corrente alternada ou, preferencialmente, utilizando um comando de PWM (acrônimo de pulse width modulation ou modulação de largura de pulso). A título de ilustração, a Figura 11 apresenta a linha de tempo de uma atuação por PWM da Variante B. As abscissas representam o tempo da esquerda para direita e as ordenadas referem-se à tensão aplicada ao eletroímã atuador (20). Em uma primeira fase (36), aciona-se o eletroímã atuador (20), que atrai o corpo (5) até o instante do engaste (37). O instante do engaste (37) pode ser determinado por tempo ou pela leitura do sensor de presença (34). Após o engaste, há um decremento gradual (38) da largura de pulso do acionamento do eletroímã atuador (20), até que o peso do corpo (5) seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo eletroímã atuador (20) no corpo (5), instante (39) em que o sensor de presença (34) detecta o desengaste do corpo. Ressalta-se que a Figura 11 é esquemática com respeito à quantidade de pulsos, uma vez que, usualmente, a frequência de pulsação de um PWM é da ordem de kHz, o que tornaria a imagem mostrada no esquema da Figura 11 incompreensível por conter pulsos em demasia. O sistema de controle (35) é apto a identificar a largura de pulso no momento em que o sensor de presença (34) detecta o desengaste do corpo (5). O meio mais fácil de estimar o peso do corpo (5) é através de uma proporcionalidade à largura de pulso no instante do desengaste (39).

[0086] Devido a diferentes susceptibilidades magnéticas de corpos com constituições diferentes, o sistema deve ser calibrado usando corpos similares aos que serão pesados durante o uso. Utilizando tal calibração prévia, obtém-se a proporcionalidade entre a largura de pulso no instante do desengaste (39) e o peso do corpo (5).

[0087] Opcionalmente, a estimativa de peso pode ser obtida através de regressões estatísticas, o que tende a fornecer melhor precisão do que uma simples proporcionalidade.

Variante C

[0088] Enquanto a vibração livre gerada pelo impacto do corpo contra o eletroímã atuador ou contra a opcional cabeça de impacto é prejudicial à leitura de peso na Variante A, a Variante C visa utilizar exatamente esta vibração para estimar a massa do corpo. Como plano de fundo, seja o sistema mecânico de um grau de liberdade da Figura 6, em que kcc passe a representar a rigidez de uma estrutura genérica sem amortecimento. Portanto, c = 0. É possível encontrar a massa mp do corpo se a massa mec do eletroímã atuador e da opcional cabeça de impacto, a rigidez kcc da estrutura e a frequência natural angular ωn do sistema forem determinadas, uma vez que

[0089] Pode-se desenvolver uma estrutura com rigidez conhecida e medir a frequência natural do sistema, buscando a alteração na frequência natural que mp causa quando engastada ao sistema. Ressalta-se que, diferentemente da Variante A e da Variante B, a Variante C não mede peso, e sim, massa.

[0090] Embora o modelo mínimo acima ilustre a ideia inicial, a aplicação direta mostrase tecnicamente inviável ainda na fase teórica, uma vez que a montagem física é um sistema contínuo, com infinitos graus de liberdade, tornando muito relevante o posicionamento do corpo na estimativa de sua massa. Também é notório que alguns modos de vibração são mais afetados do que outros pela variação da massa do corpo. Com estas questões em mente, propõe-se desenvolver um dispositivo que possua um ou mais modos de vibração que tenham suas frequências naturais que se alterem em favor da detecção de mp enquanto possua outros modos de vibração sensíveis ao posicionamento de mp. Em outras palavras, propõe-se uma estrutura que possua modos de vibrações dentro da região espectral de medição que tenham respectivas frequências naturais que sejam: muito influenciadas pela variação de massa do corpo e pouco influenciadas pelo seu posicionamento; e pouco influenciadas pela variação de massa do corpo e muito influenciadas pelo seu posicionamento.

[0091] Reunindo essas duas características em um único dispositivo, propõe-se identificar as frequências naturais dos modos de interesse e estimar a massa do corpo através de uma regressão estatística multivariável, em que as frequências naturais são as variáveis explanatórias.

[0092] A Figura 12, Figura 13 e a Figura 14 apresentam um dispositivo (40) desenvolvido com o intuito de atender tais características. Trata-se de um exemplo que pode ser tomado como uma solução funcional, não se limitando à única solução construtiva plausível: há inúmeras outras concepções que atendem aos objetivos da invenção. Chama-se a atenção para a definição das coordenadas x, y e z na Figura 14, necessárias à explanação

[0093] No referido exemplo funcional, o dispositivo (40) é engastado em suporte inercial (23) pelos quatro carretéis (41) que fazem função de fulcros. Os carretéis suspendem a estrutura (42), que possui uma geometria em formato de “8 aberto em uma extremidade”, ilustrado pela linha (43) espessa da Figura 15, formando uma “forquilha” voltada para baixo – linha (44) espessa da Figura 16 –, que sustenta um eletroímã atuador (20) com sua respectiva e opcional cabeça de impacto em cada uma das suas extremidades. Quando o corpo (5) está engastado para a medição de peso, ele fecha o formato de “8”, formando o chamado sistema mecânico (45).

[0094] As razões técnicas por trás da geometria do dispositivo (40) são:

[0095] O formato esbelto da forquilha favorece o surgimento do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz, que é sensível à variação de massa do corpo (5). Podese considerar tal modo de vibração como o de um sistema mecânico de um grau de liberdade em que é válida a relação mp = k / ω², onde k é a constante de rigidez na direção de vibração e ω é a frequência natural angular a ser medida. Portanto, esperase uma relação aproximada e inversamente quadrática entre a massa do corpo (5) e a frequência natural no primeiro modo de vibração de flexão no plano yz;

[0096] A estrutura (42) possui vários alívios de peso triangulares que, por razões de resistência mecânica, servem para formar uma malha de treliças no plano xz, objetivando enrijecer a estrutura (42) no plano xz enquanto a mantém flexível no plano yz. A razão funcional por trás desta manipulação de rigidez é distanciar as frequências naturais dos primeiros modos de flexão nos planos xz e yz, reduzindo a frequência natural do primeiro modo de flexão no plano yz, bem como favorecendo sua amplitude. Também há finas regiões que ligam a estrutura (42) à região de engaste nos carretéis (41), com o objetivo de favorecer a amplitude do modo de vibração de compressão na direção z;

[0097] Os alívios de peso também são importantes para a sensibilidade do sistema (45) quanto à variação de massa do corpo (5): se a estrutura (42) tiver muita massa, o corpo (5) representa uma menor porcentagem da massa do sistema (45) que está a vibrar. Sobre o material a ser utilizado para a confecção da estrutura (42), sugerem-se metais leves e rígidos como o titânio, assim como se sugere um processo de fabricação por eletro-erosão, corte a laser ou corte a jato d’água;

[0098] Referente às estruturas com alívio que simulam o mecanismo de Roberval vistas nos fundamentos da invenção, foi exposto que seu propósito é deixar a deformação nos fulcros e pivôs menos suscetíveis ao posicionamento da carga. Para o presente desenvolvimento, propõe-se uma estrutura baseada no mecanismo de Roberval, porém, modificado para se obter a função inversa: deseja-se que o dispositivo (40) tenha um modo de vibração que seja altamente afetado pelo posicionamento da massa do corpo (5). Os carretéis (41) – feitos, sugestivamente, de um metal de baixa densidade, como o alumínio – fazem uma função similar a dos fulcros (4) na balança de Roberval (7), possuindo sua alma em forma de eixo cilíndrico, favorecendo o modo de vibração de torção no plano xz no qual os carretéis (41) superiores torcem axialmente no mesmo sentido dos respectivos carretéis (41) inferiores. Tal modo caracteriza um movimento oposto das duas pernas da forquilha (44). Como foi dito, embora a inspiração para o desenvolvimento deste modo venha da balança de Roberval, busca-se um resultado oposto: a frequência natural do modo de torção no plano xz é sensível ao posicionamento do corpo (5). Tal sensibilidade é devida à alteração de centro de massa ao longo da direção x. Em termos didáticos, para diferentes posicionamentos do corpo (5), o movimento de cada perna da forquilha (44) é parcialmente determinado pela restrição ocasionada pelo engaste do corpo (5) contra os eletroímãs atuadores (43) ou contra a opcional cabeça de impacto, sendo que o centro de massa do corpo (5) fica depositado em apenas uma das pernas, influenciando significativamente sua frequência natural.

[0099] É desejado que as frequências naturais do dispositivo (40) sejam baixas tais que fiquem distantes das frequências naturais livre-livre do corpo (5).

[00100] Para alcançar os objetivos acima descritos, recomendam-se as dimensões críticas com base na Figura 18, sejam: a – tão grande quando o corpo (5) permitir; ϕb – tão pequeno quanto possível, limitado por razões estruturais; c – tão grande quanto possível, limitado pela frequência mínima que o sistema de aquisição lê com precisão, porque a primeira frequência natural de flexão no plano yz é inversamente proporcional a esta dimensão; d – tão pequeno quanto possível, limitado pela frequência mínima que o sistema de aquisição lê com precisão, porque a primeira frequência natural de flexão no plano yz é proporcional a esta dimensão; e, e – grande o suficiente para que o primeiro modo de vibração seja de flexão no plano yz.

[00101] Para um range de medição de 250×10-3 kg a 450×10-3 kg com um corpo (5) de dimensões 60×10-3 m x 60×10-3 m x 25×10-3 m em x, y e z, respectivamente, sugerem-se as dimensões aproximadas: a = 52×10-3 m, ϕb = 2,5×10-3 m com 1,5×10-3 m de raio de transição, c = 160×10-3 m, d = 8×10-3 m e e = 15×10-3 m.

[00102] Com relação à identificação das frequências naturais dos modos de vibração de interesse, esta pode ser feita através de qualquer método de análise modal do estado da técnica.

[00103] Contudo, um bom compromisso entre custo, facilidade de implementação e satisfação dos resultados envolve as seguintes técnicas: a sensorização via microfone, posicionado próximo à estrutura; o sistema de aquisição de sinal através de conversor analógico-digital; a definição da frequência de amostragem pelo critério de Nyquist; o processamento espectral através de transformada rápida de Fourier; e a super resolução espectral através de spline cúbica.

[00104] Propõe-se o desenvolvimento de um software dedicado à identificação das frequências naturais do sistema, fazendo parte do dispositivo proposto.

[00105] A aplicação da regressão multivariável que estima a massa do corpo (5) através das frequências naturais do sistema (45) também pode ser chamada de calibração. Tal calibração é descrita pelas etapas, de: 1 - seleciona-se uma amostra de corpos (5) que abranjam o range de medição tanto quanto possível; 2 - pesa-se cada corpo (5) da dita amostra em uma balança calibrada, registrando as respectivas massas de cada corpo (5). Tal conjunto de massas é a variável independente da regressão; 3 - submete-se cada corpo (5) ao impacto e engaste ao dispositivo (40), registrando as frequências naturais dos modos de vibração de interesse. Tais frequências naturais são as variáveis explanatórias da regressão. Sugerem-se várias submissões de cada elemento, de forma que uma variação de posicionamento seja contemplada; e 4 - executa-se um método de regressão estatística disponível no estado da técnica utilizando a variável independente e as variáveis explanatórias, de forma a se estimar a massa de cada corpo (5) da dita amostra; registram-se os parâmetros e a equação resultante da regressão.

[00106] Tais parâmetros e equação passam a ser utilizados para se estimar a massa dos novos corpos (5) a serem medidos, caracterizando o uso da proposta.

[00107] Propõe-se o desenvolvimento de um código-fonte dedicado à dita regressão estatística, sendo que tal código-fonte pode estar contido ao software utilizado para detectar as frequências naturais do sistema. Tal software também pode ser o mesmo que estima a massa dos corpos (5) durante o uso da proposta.

Variante D

[00108] Conforme exposto nos fundamentos da invenção, a Variante D baseia-se na Variante C, com a seguinte diferença conceitual: não é necessário que o dispositivo atraia o corpo eletromagneticamente e, consequentemente, não é necessário que o corpo tenha composição ferromagnética.

[00109] Para uma medição vertical similar ao processo tradicional de balanças em geral, em que o corpo é colocado sobre o dispositivo de medição, propõe-se o dispositivo 45 visto na Figura 18 e Figura 19. Como pode ser visto, rotaciona-se o sistema (40) da Variante C em 180 graus em torno do eixo y e eliminam-se os eletroímãs atuadores (20).

[00110] Opcionalmente, adiciona-se uma bandeja (46) para facilitar a colocação do corpo. Acerca de tal bandeja (46), esta pode ser: 1 - flexível tal que não venha a fechar o formato de “oito aberto em uma extremidade”, do ponto de vista de análise modal. Ou seja, flexível de forma a não influenciar significativamente o modo de vibração de torção no plano xz, fazendo com que seja o corpo o responsável por executar a função de fechar o formato de “oito aberto em uma extremidade”; e 2 - magnetizada para facilitar o engaste do corpo, quando este for ferromagnético, a fim de garantir uma vibração sem deslizamento entre o corpo e a bandeja (46); projetada de tal forma que não possua frequências naturais que se confundam com as frequências naturais úteis para a medição; e 3 - feita com material de alto amortecimento ou receber revestimentos que visam amortecer sua vibração, a fim de minimizar a influência de suas frequências naturais na medição.

[00111] Assim como na Variante C, a medição requer que as frequências naturais do sistema sejam excitadas. Tal excitação pode ser gerada pelo impacto do próprio corpo contra o dispositivo (45) ou por algum mecanismo externo, como um martelo modal apropriado, um excitador dinâmico ou por elementos piezoelétricos.

[00112] Quando se opta por uma excitação que não seja o impacto do próprio corpo, recomenda-se que a excitação seja em uma direção que favoreça a amplitude de todos os modos de vibração a serem utilizados na estimativa da massa do corpo. Para o caso do dispositivo (45) sugerido na Figura 18 e Figura 19, a direção ideal dá-se por um vetor inclinado a 45° nos planos xz e yz.

[00113] Um subsistema com a função do referido martelo modal é mostrado na Figura 20, Figura 21, Figura 22 e Figura 23. Tal subsistema é composto por um suporte (47) que é esgastado em algum lugar inerte, como a parte não vibrante dos carretéis (41). Na outra extremidade do suporte (47) é engastada a extremidade de uma viga elástica (48), bem como um opcional encosto mecânico (49). Na outra extremidade de tal viga elástica é engastada uma cabeça marteladora (50). Para propiciar uma melhor repetibilidade nos impactos, a estrutura (42) pode ter uma protuberância (51) que forma uma face perpendicular à direção de impacto (tal protuberância (51) também é útil para outros tipos de excitação, como por excitador dinâmico ou por elementos piezoelétricos). O uso de tal subsistema consiste em simplesmente em puxar e soltar a cabeça marteladora (50) ou a viga elástica (48) no sentido oposto à estrutura (42), impondo um deslocamento inicial na viga elástica (48) e, consequentemente, na cabeça marteladora (50), que vibrará livremente devido à elasticidade da viga elástica (48). Quando há o opcional encosto mecânico (49), o puxão deve ser até o contato da cabeça marteladora (50) ou da viga elástica (48) com o encosto mecânico (49). A vibração livre da cabeça marteladora (50) implica em um impacto da cabeça marteladora (50) contra a estrutura (42) ou contra sua opcional protuberância (51). A excitação modal do sistema mecânico, requerida para a medição de massa do corpo, é dada, portanto, pelo referido impacto. O subsistema proposto oferece o benefício de ser acoplado ao dispositivo e possibilita a excitação sempre na direção ideal. O opcional encosto mecânico (49) oferece proteção à viga elástica (48) contra excesso de deslocamento durante o puxão, além de garantir excitações com repetibilidade de força.

Variante E e Variante F

[00114] A Variante E e a Variante F tratam de dispositivos que visam estimar a susceptibilidade magnética de corpos ferromagnéticos. Para a maioria dos materiais de engenharia, em especial os materiais compósitos de constituição homogênea, a susceptibilidade magnética tem relação direta com a quantidade de material ferromagnético contido no material, se forem considerados corpos de mesma geometria. Exemplos de materiais compósitos de constituição homogênea incluem materiais de atrito utilizados em pastilhas e lonas de freios, enquanto o exemplo mais claro para material ferromagnético é o próprio ferro. Portanto, a Variante E e Variante F também visam estimar a quantidade de ferro contida no corpo, podendo ser particularmente útil em práticas de engenharia reversa de lonas e pastilhas de freio.

[00115] Seja uma pesagem como descrita na Variante A ou uma medição de massa como descrita na Variante C, onde é adicionado o conceito principal da Variante B, que se refere à detecção da potência aplicada ao eletroímã atuador no momento do desengaste do corpo. Chama-se de Variante E a concomitância da Variante A com a Variante B e chama-se de Variante F a concomitância da Variante C com a Variante B.

[00116] A disposição mecânica da Variante E é idêntica à da Variante A, com a exceção de que se requer o sensor de presença (34), assim como a disposição mecânica da Variante F é idêntica à da Variante C, com a exceção de que se requer o sensor de presença (34).

[00117] Para calibrar o sistema para estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de corpos de mesma geometria, propõe-se o método baseado em regressão estatística: 1 - calibra-se a leitura de peso ou massa de acordo com as técnicas descritas na Variante A e Variante C, para a Variante E e Variante F, respectivamente; 2 - seleciona-se uma amostra de corpos que abranja o range de suscetibilidade magnética (ou quantidade de ferro) tanto quanto possível; 3 - obtém-se a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de cada corpo da amostra através de cálculo teórico ou medição prática, utilizando qualquer meio conhecido no estado da técnica. Tal conjunto de susceptibilidades magnéticas é a variável independente da regressão; 4 - submete-se cada corpo ao engaste e desengaste do eletroímã atuador, registrando a potência aplicada ao eletroímã atuador no momento do desengaste. Tal potência é a variável explanatória da regressão. Chama-se a atenção que um posicionamento bem definido e repetível do corpo sob o eletroímã atuador oferece melhores resultados; 5 - executa-se um método de regressão estatística disponível no estado da técnica utilizando a variável independente e a variável explanatória, de forma a se estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de cada corpo da dita amostra; e 6 - registram-se os parâmetros e a equação resultante da regressão.

[00118] Tais parâmetros e equação passam a ser utilizados para se estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) dos novos corpos a serem medidos.

Aplicação da invenção em uma linha de produção

[00119] É notória a facilidade de implementação da Variante A, Variante B, Variante C, Variante E e Variante F em linhas de produção, como, por exemplo, por meio de simples fixação dos respectivos dispositivos em estruturas inerciais sobre esteiras que transportam peças. Diante desta facilidade, a Figura 24 propõe um equipamento (52) para qualificação, classificação ou seleção de peças produzidas (53). Tal equipamento (52) é composto pelos dispositivos (18 ou 33 ou 40), pelo hardware e software de controle (54) e por um opcional manipulador de peças (55). Tal manipulador (55) é apto a desviar o fluxo das peças (53), de acordo com o resultado da medição ou do resultado da referida análise.

[00120] Através de tal equipamento (52), é possível, por exemplo, analisar a tendência estatística da produção e, quando o manipulador (55) está presente, é possível qualificar peças (53) entre conformes e não conformes, classificar peças (53) em várias categorias ou selecionar peças (53) com características específicas. Propõese que a dita qualificação, classificação ou seleção das peças seja baseada em simples comparação com valores pré-estabelecidos, bem como com dados estatísticos de peças previamente medidas, bem como algoritmo de redes neurais artificiais.

EXEMPLO DE CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[00121] A aplicabilidade bem sucedida da Variante A e Variante B e, consequentemente, da Variante E é clara para um técnico no assunto, de forma que exemplos de concretização não agregariam em matéria. O reforço explanatório recai, portanto, à estimativa de massa por frequências naturais, de maneira que o exemplo tratado nesta seção aplica-se à Variante C e, por consequência, à Variante D e Variante F.

[00122] Propõe-se o dispositivo (40) descrito na variante C com as dimensões do Parágrafo [00101] . Deseja-se que o dispositivo (40) meça quatro tipos diferentes de corpos (5), chamados de PN1, PN2, PN3 e PN4, que são peças produzidas em uma linha de produção industrial. Tais peças são representadas por paralelepípedos de aço com 60×10-3 m x 60×10-3 m em x e y. O range de massas possíveis de cada tipo de peça encontra-se na Tabela 1, bem como as respectivas resoluções requeridas:

[00123] As resoluções são definidas como 10% do range de massas possíveis, de acordo com manuais do sistema da qualidade como o MSA (Measurement System Analysis) da ISO QS 9000. Como pode ser visto na Tabela 1, a peça mais pesada possível tem uma massa de 382,6×10-3 kg (PN2), a peça mais leve tem uma massa de 297,7×10-3 kg (PN4) e a menor resolução é de 0,69×10-3 kg (PN2). Portanto, define-se um range de medição com certa margem de segurança de 250×10-3 kg a 450×10-3 kg com uma resolução de 0,69×10-3 kg, o que implica em 290 graduações.

[00124] É proposta uma análise via simulações através do Método dos Elementos Finitos. Definem-se oito espessuras para os referidos paralelepípedos de aço, gerando os corpos C1 a C8, de acordo com a Tabela 2.

[00125] Como pode ser visto, a definição das espessuras é dada em quatro regiões R1, R2, R3 e R4, que contemplam os extremos do range (R1,e R4) e regiões intermediárias (R2,e R3), igualmente espaçadas em massa. Propõe-se um par de corpos para cada região, tal que se distanciam em massa de acordo com a resolução proposta – 0,69×10-3 kg. A amostragem do range completo é particularmente importante para se evitar a necessidade de uma indesejável extrapolação do modelo. Também se chama a atenção à minúscula diferença em espessura em cada par de corpos, na ordem de 20×10-6 m (dois centésimos de milímetro).

[00126] Com respeito à variação de posicionamento, definem-se três posições na direção x, chamadas de P0, P2 e P4, sendo P0 centrado, P2 = 2×10-3 m e P4 = 4×10-3 m, conforme a Figura 25.

[00127] Executa-se a análise pelo Método dos Elementos Finitos do dispositivo com os oito corpos C1 a C8 engastados, em cada uma das três posições P0, P2 e P4, gerando 24 simulações. Como resultado, obtêm-se as frequências f1, f5 e f6 que se referem às frequências naturais dos modos de vibração de flexão em x, torção em y e compressão em z, respectivamente, conforme a Tabela 3.

[00128] Para o exemplo em questão, sugere-se a estimativa de massa do corpo através da aplicação de um polinômio da forma

em que os parâmetros assumem os valores A = 3732,940; B = 37,2469; C = -4,01983; D = -3,62683; E = -684,829×10-3; F = 1,37654×10-3; G = 1,05097×10-3; H = 1,35054×10- 3 . O critério para aceitação da proposta é dado pela simples análise dos resíduos: para qualquer elemento, deseja-se um resíduo menor do que a resolução estipulada de 0,69×10-3 kg. A Tabela 4 apresenta as estimativas e os resíduos, onde pode ser visto um resíduo máximo de 0,13×10-3 kg, o que valida a boa aplicabilidade da proposta. A título de reflexão, aplicar apenas uma frequência natural dentre f1, f5 e f6 em qualquer tipo de regressão conhecida do estado da técnica gera resíduos que chegam a ser maiores do que a resolução.

Claims

MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o método destinado à medição de massa ou peso de um corpo ferromagnético (5), caracterizado por compreender etapas que incluem:
- - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20);
- - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21), devido à força eletromagnética exercida pelo eletroímã(s) atuador(es) (20);
- - medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5);
- - desacionamento do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); e
- - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5).
MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o método destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou para determinação da quantidade de material ferromagnético ou para determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), caracterizado por compreender as etapas que incluem:
- - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20);
- - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeça(s) de impacto (20), devido à força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20);
- - medição de massa ou peso do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5);
- - decremento gradual da força eletromagnética do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) até que esta referida força eletromagnética seja menor do que a força peso do corpo (5);
- - leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) no instante final da etapa 4; e
- - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5).
MÉTODO, sendo o método destinado à medição de peso de um corpo (5), ou destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou destinado à determinação da quantidade de material ferromagnético ou destinado à determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela medição de peso da etapa medição de massa ser obtida pelo processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si.
MÉTODO, sendo o método destinado à medição de peso de um corpo (5), de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pela medição de peso da etapa medição de massa ser obtida pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20).
MÉTODO, sendo o método destinado à medição de massa de um corpo (5), ou sendo o método destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou destinado à determinação da quantidade de material ferromagnético ou destinado à determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela medição de massa da etapa medição de massa ser obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) que é composto por um dispositivo mecânico (40) e o corpo (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40).
MÉTODO, sendo o método destinado à qualificação, classificação ou seleção de corpos (5), compreendido por medição dos referidos corpos (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender ainda, as etapas de: análise do resultado da referida medição, através de comparação com valores préestabelecidos, comparação com dados estatísticos de corpos previamente medidos ou algoritmo de redes neurais artificiais; e opcional manipulação dos corpos com base no resultado da referida análise.
DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico (18) configurado a realizar a medição de peso através do processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), caracterizado por compreender: uma ou uma pluralidade de células de carga (19); um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21); e nenhum, um ou uma pluralidade de elementos amortecedores (22)
Dispositivo mecânico, de acordo com a Reivindicação 7, configurado para ser instantaneamente enrijecido, caracterizado por compreender um ou uma pluralidade de eletroímãs pré-tensionadores (25), um êmbolo (26), nenhum, um ou uma pluralidade de elementos ferromagnéticos (27) e um estator (28).
DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico (33) configurado a realizar medição de peso através do decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), caracterizado por compreender: um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); um ou uma pluralidade de sensores de presença (34); e nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21).
DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico caracterizado pelo fato de que, quando está com um corpo engastado a si, forma um conjunto mecânico que possui a concomitância de: pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de massa do referido corpo e menos afetada pelo posicionamento do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico; e pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de posicionamento do referido corpo e menos afetada pela variação de massa do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico.
DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico configurado a realizar medição de parâmetros físicos de corpos de acordo com a Reivindicação 9, caracterizado por possuir, ainda, um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores, bem como nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto.
DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico (40), composto por carretéis (41) e estrutura (42), de acordo com a reivindicação 9 ou 10 caracterizado pelo fato de que, quando está com um corpo (5) engastado em sua extremidade, forma um sistema mecânico (45) que possui, concomitantemente: a frequência natural do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz (Figura 14) mais influenciada pela massa do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pelo posicionamento do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45); e a frequência natural do primeiro modo de torção no plano xz (Figura 14) mais influenciada pelo posicionamento do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pela massa do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45).
DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico, de acordo com a Reivindicação 9 ou 10, caracterizado por possuir, adicionalmente, um subsistema que exerce a função de martelo modal, composto por suporte (47), viga elástica (48), opcional encosto mecânico (49) e cabeça marteladora (50).
EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o equipamento (52) configurado a realizar a medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, caracterizado por compreender dispositivos mecânicos e ainda, hardware e software de controle (54) e opcional manipulador de corpos (55).