BR202018015707U2 - Reômetro adaptável a máquina universal de ensaios - Google Patents

Abstract

reômetro adaptável a máquina universal de ensaios . o presente modelo de utilidade, reômetro adaptável a máquina universal de ensaios, se enquadra no contexto das atividades profissionais, científicas e técnicas e tem por finalidade descrever um instrumento destinado à caracterização de fluidos newtonianos e não newtonianos, incluindo os magnéticos, quanto à sua reologia, retornando dados de tensão de cisalhamento e viscosidade plástica, por meio da rotação de um disco submerso no fluido de análise, operando sob modo de cisalhamento direto. a resistência encontrada pelo disco na rotação pode ser mensurada por um sistema de aquisição de dados. o instrumento pode operar acoplado em uma máquina universal de ensaios. tais fatores tornam o produto interessante, uma vez que em laboratórios e empresas que já possuam máquinas universais de ensaios não necessitariam comprar um reômetro completo, tornando a possibilidade de ensaiar materiais fluidos mais acessível pela redução do custo do equipamento, ampliando a capacidade laboratorial nas áreas científica e técnica. além de permitir aumentar o leque de operação de máquinas universais de ensaios, que poderão ensaiar não apenas materiais sólidos, mas também líquidos, retornando seus dados reológicos.

Description

REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS [01] Introdução [02] O presente modelo de utilidade, “REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS”, se enquadra no contexto das atividades profissionais, científicas e técnicas e tem por finalidade descrever um instrumento capaz de caracterizar fluidos newtonianos e não newtonianos, incluindo os magnéticos com relação às suas propriedades reológicas, sendo essas a tensão de cisalhamento e a viscosidade plástica.

[03] O reômetro aqui proposto é capaz de fornecer tais propriedades pela capacidade de captar a tensão necessária para deformar um fluido. A mensuração de tais dados ocorre por meio de um disco rotacional submerso no fluido de análise operando sob modo de cisalhamento direto, princípio pelo qual reômetros de placas paralelas também operam.

[04] Dessa forma, ao se imprimir sobre o disco um movimento de rotação, ele terá dificuldade em se movimentar devido à resistência que o fluido apresenta para escoar. Quanto mais viscoso for o fluido, maior será a resistência ao escoamento e assim, maior a força necessária para se conseguir girar o disco que encontra-se submerso no fluido. Sendo essa resistência que o fluido apresenta denominada de Tensão de Cisalhamento, que é uma característica particular de cada material.

[05] Essa “dificuldade” de movimento é mensurada por meio de uma célula de carga ligada ao disco de cisalhamento que “sente” as tensões que surgem no material quando submetido à deformação. O instrumento pode ter o seu próprio sistema para fornecer energia cinética de rotação ao disco para ser possível cisalhar o fluido, uma célula de carga para mensurar essa energia (ou torque) e um sistema de aquisição de dados ou o instrumento pode ser adaptado a outro que já possua todos esses aspectos.

[06] Assim, o instrumento foi projetado para poder ser acoplado em uma máquina universal de ensaios, facilmente encontrada em laboratórios de ensaios de materiais, o que permite a ampliação da capacidade laboratorial,

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2/19 pela abertura da possibilidade de se caracterizar materiais fluidos quanto a sua reologia. Esse fato também possibilita a abertura de novas linhas de pesquisas, científicas e técnicas, no que tange a área reológica, além da possibilidade de prestação de serviços tecnológicos, sem a necessidade da compra de equipamentos específicos e de elevado valor (como reômetros ou reômetros magneto reológicos comerciais), apenas com o uso do presente dispositivo adaptável. Lembrando que reômetros que permitem a aplicação de campo magnético são de difícil acesso, pois devido ao elevado custo e aplicação específica, poucos laboratórios o tem disponível, no Brasil, o único encontrado até o presente momento foi o MCR, com dispositivo magnetorreológico (MRD) acoplado da Anton Paar^® na Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI.

[07] Além disso, a configuração do modelo de utilidade descrito neste relatório se mostra muito interessante devido à necessidade de pequena quantidade de amostra de fluido para ensaio, fator extremamente importante em se tratando de instrumento de medida e de ensaios em nível laboratorial, industrial e técnico.

[08] Alguns equipamentos utilizados para esse fim são: reômetros e viscosímetros.

[09] A pesquisa e o projeto do REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS foi realizada a partir da comparação com dados conhecidos de fluidos e fluidos magnéticos caracterizados em reômetros comerciais validados, como o MCR Anton Paar^® com MRD acoplado, para que assim, a eficácia do presente projeto pudesse ser comprovada.

[010] O instrumento foi concebido de forma a poder operar acoplado à máquina universal de ensaios, sendo de tamanho reduzido, móvel, leve, de fácil montagem e desmontagem.

[011] A partir de cálculos matemáticos, foram encontradas todas as dimensões necessárias para que o instrumento pudesse encontrar os parâmetros

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3/19 desejados, bem como os elementos para completa vedação do sistema e magnetização do fluido, em caso de fluidos magnéticos.

[012] Além disso, um programa computacional foi desenvolvido para retornar os dados e gráficos de tensão de cisalhamento e viscosidade plástica a partir da resposta de força dada pela máquina universal de ensaios.

[013] A caracterização quanto ao índice de comportamento (n) do fluido é obtida a partir de um encoder de velocidade que consegue medir a variação da velocidade de movimentação da máquina e consequentemente de cisalhamento do fluido no arranque da máquina (que sai do repouso para sua velocidade máxima), o que permite ler a taxa de cisalhamento do fluido.

[014] Como é conhecido dos meios técnicos ligados a ensaios de materiais fluidos, atualmente existem inúmeras opções de máquinas laboratoriais para obtenção de propriedades reológicas, porém poucas delas são capazes de obter medidas reológicas também de materiais magnéticos. Para este fim, encontrou-se:

a) Reômetro MCR Anton Paar^® com dispositivo magnetorreológico (MRD) acoplado: é utilizado para investigar a influência de um campo magnético em fluidos magnetorreológicos (MRF). A densidade aplicada de fluxo magnético de até 1 Tesla é controlada pelo software do reômetro e pode ser ajustada conforme os requisitos.

b) Discovery Hybrid Rheometer (DHR-1) com acessório Magneto Reológico (MR Accessory) da TA Instruments^®. O acessório MR permite a caracterização dos fluidos magneto-reológicos sob a influência de um campo controlado de até 1 T e uma faixa de temperatura de amostra de -10 ° C a 170 ° C. O acessório MR aplica um campo controlado através de uma bobina eletromagnética integrada localizada abaixo da amostra. Esta bobina opera em conjunto com um garfo superior para fornecer um campo magnético que é normal à superfície da placa. O sistema inclui um canal para acomodar uma sonda Hall opcional.

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4/19 [015] Nota-se que ambas as opções oferecem basicamente o mesmo serviço, a maior desvantagem desses produtos é que os seus valores de compra são elevados e dessa forma, o acesso aos equipamentos se torna muito restrito, fator que pode vir a limitar a pesquisa e prestação de serviços tecnológicos de materiais fluidos no que tange a sua reologia, principalmente quando o assunto se refere à fluidos não newtonianos e magnéticos, uma vez que é necessária a aquisição do reômetro e o acessório magneto reológico para ensaios.

[016] Existem, também, inúmeras opções de máquinas universais de ensaios, porém nenhuma das máquinas encontradas atualmente no mercado dispõe de algum sistema que permita a obtenção de dados referentes a materiais fluidos, apenas sólidos e isso faz do REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS um instrumento vantajoso, pois permite:

a) Obter medidas reológicas de fluidos newtonianos e não newtonianos, incluindo os magnéticos sem a necessidade da compra de um equipamento específico e de alto valor, como os Reômetros MCR Anton Paar® e o Discovery Hybrid Rheometer (DHR-1) da TA Instruments^® com seus respectivos acessórios MR.

b) Aumentar a capacidade de obtenção de medidas laboratoriais de máquinas universais de ensaio (que são facilmente encontradas em qualquer laboratório de ensaios de materiais), que poderão atuar ensaiando não apenas materiais sólidos, mas também fluidos.

c) Aumentar as linhas de pesquisa em universidades pela possibilidade do estudo de uma nova vertente (reologia e magnetoreologia) sem a necessidade da compra de novos equipamentos específicos e de alto valor.

d) Aumentar a capacidade de prestação de serviços tecnológicos de laboratórios e outros centros.

[017] ESTADO DA TÉCNICA [018] Buscas de anterioridade realizadas nos bancos de patentes do Brasil e do exterior revelam a existência de dispositivos que operam como reômetros.

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Contudo, os resultados são divergentes no que se refere aos aspectos contrutivos do equipamento ou ao modo de operação. Conforme discutido a seguir.

[019] CZ20140802A3 - Reômetro de bypass para testar propriedades de líquidos magnetoreológicos e método de análise de dados. 23/03/2016. Nesta tecnologia é descrito um reômetro bypass para testar propriedades de líquidos magnetoreológicos. Constituído por um cilindro hidráulico, com um pistão de haste dupla, cheio de óleo hidráulico e preso a um aparelho de teste de amortecedor de automóvel, por meio de um adaptador acoplado ao cilindro hidráulico. A divulgação da taxa de deformação por cisalhamento obtida é feita por meio de um analisador de dados que inclui aparato matemático e um avaliador estatístico do sinal medido. Esta patente utiliza de um sistema de amortecedor de automável para avaliação de dados, operando em modo de válvula para obter as propriedades reológicas dos fluidos magnéticos. Já o objeto da tecnologia proposta opera em modo de cisalhamento direto e pode funcionar com auxílio da máquina universal de ensaios.

[020] O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato da patente existente operar em modo de válvula por meio de um sistema amortecedor, tem-se que o aparato construtivo demanda de sistemas mais robustos e de maior complexidade de fabricação, montagem e manutenção, o que implica em maiores custos. Isso se dá por motivos como:

1. O sistema de vedação em pistões é complicado de ser constituído, uma vez que a haste entra e sai da camisa que está cheia de óleo, podendo carregar consigo o material de análise;

2. Pistões exigem o emprego de acumuladores de pressão para que não haja sobrecarga de pressão nas câmaras traseira e dianteira;

3. Além disso é preciso prevenir golpes de aríete no interior do cilindro, com uso de sistema de amortecimento interno. Os golpes ocorrem devido ao movimento da haste que transfere energia mecânica ao

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6/19 fluido implicando em propagação de ondas de choque, podendo danificar o sistema.

[021] Assim, a vantagem da presente invenção está ligada ao fato de que como o modo de operação é o de cisalhamento direto, a constituição do dispositivo é mais simples, o que reduz os custos do projeto e a probabilidade de problemas de operação. Além disso, para obtenção dos dados de análise seria possível utilizar um equipamento já existente (máquinas universais de ensaios), não sendo necessária a construção de todo sistema. Assim, o sistema proposto é mais simples, menos custoso e capaz de obter os mesmos dados.

[022] MX20140007812A - Reômetro eletromagnético de esfera rotativa usado na sedimentação. 25/12/2015. A invenção refere-se a um dispositivo usado para caracterização reológica de fluidos newtonianos e fluidos nãoelásticos. O dispositivo compreende um par de bobinas de Helmholtz fornecidas por uma fonte de corrente contínua, que são giradas para gerar um campo magnético uniforme e rotacional. Este arranjo impõe e controla a velocidade de rotação de uma esfera magnetizável através de um fluido de teste. O fluxo ao redor da esfera é dominado pelos esforços de cisalhamento. Como resultado do esforço cisalhante imposto, a viscosidade média em torno da esfera é reduzida e a velocidade de sedimentação aumentada. Os pontos experimentais captados indicam um aumento da velocidade como uma função do cisalhamento, de modo que seria possível inferir o valor do índice de comportamento - n. A diferença está na maneira de medir as propriedades reológicas do material de análise. Este reômetro mexicano utiliza de uma esfera rotativa magnetizável que adquire movimento por meio de um campo magnético rotacional aplicado, cisalhando o fluido de maneira proporcional a velocidade da esfera. Já a invenção proposta possui um disco rotacionável que fica mergulhado no fluido de análise, sendo capaz de cisalhá-lo devido a esta rotação. O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato de que como o movimento do objeto cisalhante (esfera) é

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7/19 causado por um campo magnético, não seria possível ensaiar fluidos magnéticos, pois sendo a esfera magnetizável, ela interferiría nas propriedades do fluido ao seu redor de maneira não controlada.

[023] Assim, a vantagem da invenção proposta com relação à existente é que como o movimento do dispositivo cisalhante (disco) é imposto devido a uma energia cinética de rotação aplicada e não por meio de um campo magnético aplicado, torna-se possível a caracterização de fluidos newtonianos e nãonewtonianos, incluindo os magnéticos.

[024] US2011030454A1 - Reômetro. 10/02/2011. A invenção refere-se a um reômetro que tem um eixo rotativo no qual uma placa do rotor é fixada. Além disso, apresenta um instrumento de medição para medir torques exercidos na placa do rotor por uma substância a ser estudada durante a rotação do eixo.Um primeiro espaço de medição para manter a substância a ser estudada sendo formada entre um primeiro lado da placa do rotor e uma primeira face de cisalhamento e um segundo espaço de medição para manter a substância a ser estudada sendo formada entre um segundo lado da placa do rotor, oposta ao primeiro lado, e uma segunda face cortante. O reômetro contém um ímã para gerar um campo magnético no primeiro e segundo intervalos de medição.

[025] Neste projeto, a maior diferença encontra-se no método de obtenção dos dados analisados. No caso da patente estadunidense, um instrumento (o qual não é revelado em detalhes) é utilizado para fornecer torque ao disco e captar os dados do fluido, dessa forma, faz-se necessário todo aparato projetado para que o dispositivo opere de forma satisfatória. Já na tecnologia desenvolvida, é possível dapatar o dispositivo a uma máquina universal de ensaios para obtenção dos dados.

[026] O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato da patente existente utilizar de um sistema de obtenção de dados próprio para o dispositivo desenvolvido, bem como um sistema para rotação do eixo ligado ao disco que está mergulhado na amostra de análise, assim como os reômetros comerciais já existentes. Esse sistema de aquisição

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8/19 de dados e de aplicação de torque torna o aparato mais custoso e robusto, requerendo maior investimento para sua fabricação e montagem ou até mesmo compra.

[027] Assim, a vantagem da invenção proposta se concentra no fato de que ela pode utilizar para gerar a rotação do disco inserido no fluido de análise e para fazer aquisição dos dados reométricos o sistema operacional de máquinas universais de ensaios. Sendo assim, não se torna necessária a obtenção de um equipamento com todo o aparato proposto pela patente estadunidense. Como a máquina universal de ensaios é facilmente encontrada em laboratórios de ensaios de materiais, sua utilização acaba sendo de grande valia, pois não seria preciso um grande investimento para abertura de novas linhas de pesquisa (ensaio de materiais fluidos).

[028] JP2011007509A - Reômetro do tipo magnético. 13/01/2011. Mede as características magneto reológicas como viscosidade, viscoelasticidade ou similar de um material MR. Para tanto, o dispositivo é constituído de um mecanismo de sensor que inclui discos paralelos. A amostra de fluido magneto reológico é colocada entre os discos que estão dispostos na horizontal, onde o campo magnético será aplicado durante as medidas magneto reológicas por meio de um sensor ligado aos discos. Cada um dos discos (primeiro e segundo) é integralmente formado por uma parte anular compreendendo um material magnético e a parte central compreendendo um material não magnético proporcionado à abertura da parte anular.

[029] Neste projeto, a maior diferença encontra-se no método de obtenção dos dados analisados. No caso da patente japonesa, um motor é utilizado para fornecer torque ao disco e um sensor é utilizado para captação dos dados do fluido. Dessa forma, faz-se necessário todo aparato projetado para que o dispositivo opere de forma satisfatória. Já na tecnologia desenvolvida, é possível dapatar o dispositivo a uma máquina universal de ensaios para obtenção dos dados.

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9/19 [030] O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato da patente existente utilizar de um sistema de obtenção de dados próprio para o dispositivo desenvolvido, bem como um sistema para rotação do eixo ligado ao disco que está mergulhado na amostra de análise, assim como os reômetros comerciais já existentes. Esse sistema de aquisição de dados e de aplicação de torque torna o aparato mais custoso e robusto, requerendo maior investimento para sua fabricação e montagem ou até mesmo compra.

[031] Assim, a vantagem da invenção proposta se concentra no fato de que ela pode utilizar para gerar a rotação do disco inserido no fluido de análise e para fazer aquisição dos dados reométricos o sistema operacional de máquinas universais de ensaios. Sendo assim, não se torna necessária a obtenção de um equipamento com todo o aparato proposto pela patente japonesa. Como máquinas universais de ensaios são facilmente encontradas em laboratórios de ensaios de materiais, sua utilização acaba sendo de grande valia, pois não seria preciso um grande investimento para abertura de novas linhas de pesquisa (ensaio de materiais fluidos).

[032] US6499336B1 - Reômetro Rotacional. 31/12/2002. O reômetro rotacional possui um motor integrador, que gira um eixo de medição suportando um primeiro elemento de medição, sendo formado, então, por este primeiro elemento de medição rotacionável e um outro elemento de medição fixo. Em um entreferro de medição é introduzida a substância a ser testada, no caso, uma substância fluida, a profundidade do entreferro de medição é variável por meio do ajuste dos dois elementos de medição um em relação a outro. Um dispositivo é fornecido para determinar a distância entre os dois elementos de medição que determinarão as propriedades reológicas da amostra.

[033] Neste projeto, a maior diferença encontra-se no método de obtenção dos dados analisados. No caso da patente estadunidense, um motor integrador é utilizado para fornecer torque ao disco e um elemento de medição para captar

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10/19 os dados do fluido. Dessa forma, faz-se necessário todo aparato projetado para que o dispositivo opere de forma satisfatória. Já na tecnologia desenvolvida, é possível dapatar o dispositivo a uma máquina universal de ensaios para obtenção dos dados.

[034] O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato da patente existente utilizar de um sistema de obtenção de dados próprio para o dispositivo desenvolvido, bem como um sistema para rotação do eixo ligado ao disco que está mergulhado na amostra de análise, assim como os reômetros comerciais já existentes. Esse sistema de aquisição de dados e de aplicação de torque toma o dispositivo mais custoso e robusto, requerendo maior investimento para sua fabricação e montagem ou até mesmo compra.

[035] Assim, a vantagem da invenção proposta se concentra no fato de que ela pode utilizar para gerar a rotação do disco inserido no fluido de análise e para fazer aquisição dos dados reométricos o sistema operacional de uma máquina universal de ensaios. Sendo assim, não se toma necessária a obtenção de um equipamento com todo o aparato proposto pela patente estadunidense. Como máquinas universais de ensaios são facilmente encontradas em laboratórios de ensaios de materiais, sua utilização acaba sendo de grande valia, pois não seria preciso um grande investimento para abertura de novas linhas de pesquisa (ensaio de materiais fluidos).

[036] PI8000943-3 - Processo para a determinação das propriedades reológicas de um material fluido e aparelhagem para a realização do processo e reômetro. 14/02/1980. A presente invenção trata de processo para a determinação das propriedades reológicas de fluido que consiste em encher completamente um espaço situado entre um corpo constituído por um bi cone com ângulo de vértice de sendo de preferência inferior a 90°, e em uma superfície bicônica de mesmo eixo que o eixo do dito bicone, com ângulo de vértice de 2β sendo β igual on inferior a 90°, depois submeter o dito material a solicitações para acionamento em tomo do eixo comum do bi cone

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11/19 ou da dita superfície bi cônica, com o elemento não acionado permanecendo fixo, com o dito acionamento se efetuando por meio de um dispositivo para o qual se impõe, segundo um programa conhecido, seja uma velocidade, seja um binário com elemento acionado, e se mede o parâmetro, a velocidade ou o binário, que não é imposto. Ela se refere igualmente a aparelhagem que permite a realização do dito processo.

[037] Neste projeto, as diferenças encontram-se no modelo constitutivo e no método de obtenção dos dados analisados. Dessa forma, é possível perceber que na presente patente o disco utilizado para cisalhar o fluido é um disco bi cônico e a invenção proposta utiliza de um disco plano. Além disso, a patente brasileira utiliza de um dispositivo próprio (não detalhado) para fornecer torque ao disco e uma aparelhagem também própria ao equipamento para captar os dados, já na tecnologia desenvolvida, uma máquina universal de ensaios pode ser utilizada para essa análise.

[038] O problema da tecnologia apresentada no referido documento ocorre devido ao fato da patente existente utilizar de um sistema de obtenção de dados próprio para o dispositivo desenvolvido, bem como um sistema para rotação do eixo ligado ao disco bi cônico que está mergulhado na amostra de análise, assim como os reômetros comerciais já existentes. Esse sistema de aquisição de dados e de aplicação de torque torna o aparato mais custoso e robusto, requerendo maior investimento para sua fabricação e montagem ou até mesmo compra.

[039] Além disso, a fabricação do disco bi cônico é mais trabalhosa e custosa que a fabricação do disco plano (por necessitar de mais material e por exigir processos de fabricação mais complexos).

[040] Assim, a vantagem da invenção proposta se concentra no fato de que ela pode utilizar para gerar a rotação do disco inserido no fluido de análise e para fazer aquisição dos dados reométricos o sistema operacional de máquinas universais de ensaios. Sendo assim, não se torna necessária a obtenção de um equipamento com todo o aparato proposto pela patente brasileira. Como

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12/19 máquinas universais de ensaios são facilmente encontradas em laboratórios de ensaios de materiais, sua utilização acaba sendo de grande valia, pois não seria preciso um grande investimento para abertura de novas linhas de pesquisa (ensaio de materiais fluidos).

[041] Além da fabricação do dispositivo cisalhante ser mais simples de ser realizada e mais barata.

[042] Assim, a proposta do reômetro adaptável à máquina universal de ensaios é permitir que seja realizado um trabalho condizente com os equipamentos já existentes, porém oferecendo uma alternativa a laboratórios que possuam outras máquinas capazes de mensurar tensões em materiais quando submetidos a deformações, como a máquina universal de ensaios, para que não seja necessária a compra de um equipamento completo e específico de alto custo.

[043] Desta forma, esta invenção permite:

1. Obtenção da tensão de cisalhamento e viscosidade plástica de fluidos newtonianos, não-newtonianos, incluindo os magnéticos;

2. Ampliação da capacidade laboratorial, científica e técnica, sem a necessidade da compra de um equipamentos específico já existente no mercado, de elevado custo;

3. Prestação de serviços tecnológicos na área da reologia;

4. Ampliação da capacidade de obtenção de dados das máquinas universais de ensaios, permitindo a avaliação não só de materiais sólidos, mas também fluidos, por meio da adaptação do dispositivo.

[044] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [045] Para melhor compreensão do objeto da presente patente, far-se-ão referências aos desenhos anexos, em que:

• A FIGURA 1 mostra a vista geral do equipamento montado.

• A FIGURA 2 mostra a vista em corte do equipamento mostrando como se dá a montagem do sistema e o espaço para encaixe do

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13/19 solenoide capaz de gerar o campo magnético para avaliação de fluidos magnéticos.

• A FIGURA 3 mostra a vista em corte do equipamento revelando todos os seus componentes.

• A FIGURA 4 mostra a vista em corte do equipamento revelando todo sistema de vedação do equipamento.

• A FIGURA 5 mostra o esquema de montagem do equipamento na máquina universal de ensaios para medições em fluidos não magnetizáveis.

• A FIGURA 6 mostra o esquema de montagem do equipamento na máquina universal de ensaios para medições em fluidos magnetizáveis, utilizando uma fonte de corrente.

• A FIGURA 7 mostra as dimensões principais do equipamento.

• FIGURA 8 mostra uma vista explodida do equipamento.

[046] DESCRIÇÃO DETALHADA DO MODELO DE UTILIDADE [047] O texto que segue elucida a fase de projeto do equipamento, sua prototipagem e teste.

[048] 1. PROCESSO DE REOMETRIA [049] O processo de obtenção das medidas reológicas procede-se da seguinte forma:

1. A tampa do instrumento (10), mostrada na FIGURA 3, é retirada pelo afrouxamento dos parafusos (2) presentes no mancal esquerdo (5), ilustrado na FIGURA 4;

2. O pino (11) presente na tampa (10), indicado na FIGURA 3, deve ser também retirado, para que o orifício da tampa fique aberto para respiro;

3. O reômetro adaptável a máquina universal de ensaios deve ser colocado de lado, com a abertura para cima;

4. O fluido a ser analisado é inserido no reômetro, ficando alocado no entreferro entre o disco (8) e os mancais (5);

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5. O instrumento é, então, fechado pela inserção de sua tampa (10) e aperto dos parafusos (2) presentes no mancal esquerdo (5). O material em excesso e o ar confinado sairão pelo orifício na tampa;

6. O pino (11) deve ser recolocado e o instrumento colocado em pé;

7. A polia (1) deve ser inserida no eixo preso ao disco (8), conforme indica a FIGURA 2 e, em seguida, o eixo (16), onde o disco encoder de velocidade (17) está fixado, deve ser preso por rosqueamento no eixo (8) para que seja possível a leitura da taxa de deformação por cisalhamento com auxílio do encoder de velocidade (15);

8. Após montado, o reômetro deverá ser preso na base (18) da máquina universal de ensaios por meio de aparafusamento do suporte (3), conforme ilustram as FIGURA 5 e FIGURA 6;

9. Um cabo de aço (19) deve ser afixado na polia (1) do instrumento com o auxílio de um prensa cabo (22), mostrado na FIGURA 7;

10. Posteriormente este cabo (19) deve ser preso na célula de carga (20), que deve estar fixada na base móvel (21) da máquina universal de ensaios conforme ilustra a FIGURA 5 e FIGURA 6;

11. Caso o fluido a ser analisado seja magnético, os fios da bobina devem ser conectados em uma fonte de corrente (13) como mostra a FIGURA 6;

12. Após a montagem do instrumento, a máquina universal de ensaios deve ser ligada deslocando a célula de carga (20), devido ao deslocamento da base móvel (21), e assim, imprimindo um movimento de rotação sobre a polia (1), que está acoplada ao eixo que é fixo no disco (8) submerso no fluido, conforme ilustram as FIGURA 5 e FIGURA 6;

13. A máquina universal de ensaios fará a leitura da força necessária para rotacionar o disco (8) submerso em fluido. Por meio de um programa computacional e utilizando as equações que regem o comportamento de cada fluido analisado e as dimensões do

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15/19 instrumento é possível converter essa força em Tensão de Cisalhamento. A Viscosidade plástica pode ser obtida com a taxa de deformação por cisalhamento impresa sobre o fluido no início do movimento de ascensão da célula de carga (no arranque, onde a velocidade varia de 0 - repouso a um valor máximo estipulado).

14. O ensaio é realizado em temperatura ambiente (25°C), a qual deve ser mantida por meio de climatização. Termopares podem ser acoplados ao sistema caso se deseje variar a temperatura e estudar a sua influência sobre o fluido de análise.

15. O campo gerado por meio do eletroímã é proporcional a corrente elétrica aplicada. Antes de iniciar os testes, ainda com o instrumento aberto, ou seja, sem a tampa (10), uma sonda hall deve ser colocada na amostra para medir o campo que a fonte de corrente (13) irá gerar, para que após o equipamento ser fechado seja possível saber o campo que está sendo aplicado sobre a amostra.

[050] 2. REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS [051] No dimensionamento do reômetro, primeiramente foi selecionado o modo de trabalho, como sendo de cisalhamento direto, pela facilidade de fabricação e montagem e pela necessidade de pouco fluido para operar, apenas um filme. [052] Após a seleção da configuração adequada do instrumento, o seu dimensionamento foi realizado levando em consideração alguns limitantes de projeto, sendo estes:

• A faixa de leitura (range) da célula de carga a ser empregada de forma que as dimensões do instrumento permitam a leitura dos dados do fluido analisado dentro da faixa de leitura da célula disponível.

• A menor quantidade de amostra de fluido para realização do ensaio é desejada, pois para ensaios laboratoriais, quanto menor a quantidade de amostra necessária, mais viável se torna o teste por não ser necessário produzir material em grande quantidade, apenas para verificação de suas propriedades;

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16/19 • Para fluidos magnéticos, as propriedades magnéticas do instrumento deveriam permitir que o campo magnético gerado se concentrasse sobre a amostra (ou seja, os componentes do dispositivo deveriam apresentar baixa permeabilidade magnética), podendo ser utilizado materiais como o aço inox austenítico, alumínio, entre outros.

[053] Depois de estipuladas as hipóteses e os parâmetros preliminares, o primeiro dado necessário para o desenvolvimento do modelo de utilidade foi o torque de frenagem gerado pelo disco em contato com o fluido. Esse torque de frenagem depende das dimensões do disco, das características do fluido e da taxa de deformação por cisalhamento do fluido. Para tanto, foi utilizado um disco de diâmetro 72 mm e aço inox 316L, para que este pudesse gerar um torque que a célula de carga disponível pudesse ler, porém outras dimensões e materiais podem ser empregados, desde que a célula de carga possa fazer a leitura dos esforços gerados ou uma pré-carga seja utilizada. Os demais parâmetros dependem do fluido estudado e do setup da máquina de ensaios de tração.

[054] Esse torque de frenagem, caso o instrumento seja adaptado à máquina universal de ensaios, é transmitido para a polia (1), como é possível perceber analisando a FIGURA 3. Assim, por essa configuração, é possível perceber que o torque de frenagem é igual ao torque motor (na polia). A força necessária para escoar o fluido, lida pela máquina de ensaios de tração, vai então, depender do diâmetro da polia (1) utilizada e do torque motor gerado. Na concepção do presente modelo de utilidade, foi utilizada uma polia de diâmetro 70 mm, do tipo V com 1 canal do tipo A.

[055] Dada a configuração final, a quantidade de amostra necessária para realização de uma medida reométrica é de 9 ml. A redução da quantidade de amostra é possível com a redução do disco, o que implicaria na redução do torque gerado. Dessa forma, para leitura do torque seria necessária a utilização de uma célula de carga mais precisa ou de uma pré-carga.

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17/19 [056] Estipuladas as dimensões dos componentes que fazem a leitura reométrica, a cápsula que armazena todos esses componentes e o fluido pode ser projetada de forma que todo sistema ficasse bem abrigado. Sendo assim, um entreferro de 1 mm para alojamento do fluido foi imposto, entreferros menores também podem ser aplicados.

[057] Para vedação foram utilizados O’rings (4) e retentores (7) conforme mostra a FIGURA 3. Para permitir o giro do eixo com baixo atrito foram utilizadas buchas de material de baixo atrito (6).

[058] O suporte (3) também foi fabricado em aço inox 316L (outros materiais de baixa permeabilidade magnética também podem ser utilizados, como o alumínio, por exemplo) com dimensões de 211 mm de altura e cápsula com 156 mm de diâmetro, conforme mostra a FIGURA 7, medidas que podem ser alteradas com a modificação das dimensões do disco (8) e da região utilizada para alojamento do eletroímã (12) que fará a magnetização dos fluidos magnéticos.

[059] Para adaptar o reômetro à máquina universal de ensaios, as dimensões do suporte foram estabelecidas, sendo elas dependentes das dimensões da máquina de ensaios utilizada. Para o desenvolvimento deste modelo de utilidade, foi utilizada a máquina universal de ensaios EMIC® DL-5000/10000 para testes. Furos oblongados permitem a adaptação do suporte a diversos tipos de máquinas de ensaios.

[060] Tendo o reômetro todo dimensionado e os parâmetros selecionados o próximo passo foi construir o protótipo e testá-lo na EMIC® DL-5000/10000 e assim validar o projeto e verificar a sua eficiência.

[061] Um cabo de aço (19) foi preso à polia e fixado à célula de carga (20).

[062] Para dar início aos testes foi necessário primeiramente fazer o setup da máquina de ensaios. A posição inicial foi estabelecida como sendo o limite máximo de enrolamento do cabo (19) na polia (20) sem tocar no prensa cabo (22), que pode ser observado na FIGURA 7, evitando assim um ruído de alta intensidade no sinal. O curso do ensaio é delimitado pela corda da polia

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18/19 utilizada (descontando o espaço ocupado pelo prensa cabo (22) neste perímetro).

[063] Além disso, antes do início da obtenção das medidas, a máquina de ensaios foi ligada em movimento ascendente e descendente (por 5 ciclos) imprimindo um movimento de rotação na polia e consequentemente no disco submerso no fluido para proporcionar homogeneização da amostra.

[064] Após o setup das posições da máquina universal de ensaios em conjunto com o dispositivo MR, a regulagem das configurações empregadas no ensaio foi efetuada. Os parâmetros utilizados neste teste estão presentes na TABELA

1.

[065] Tabela 1 - Configuração da máquina universal de ensaio de tração (EMIC® DL-5000/10000).

Parâmetros	Dados
Método utilizado	Ensaio monotônico de tração em fios
Correção de alongamento	Não
Considerar colapso	Não
Movimentação	Subida
Velocidade de ensaio	100 mm/min
Velocidade de retorno	300 mm/min
Limite de força	90 N
Limite de deformação	90 mm
Ação de interrupção	Parada ao fim de curso
Tempo de ensaio	55 s
Tempo para estabilização da magnetização	60 s

[066] Os materiais testados pelo modelo de utilidade REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS foram também testados no reômetro MCR da Anton Paar®, que é um reômetro comercial e já validado. Os dados obtidos foram comparados, e assim, o desenvolvimento do presente reômetro adaptável apresentou-se como uma solução viável para a caracterização de fluidos newtonianos e não newtonianos, incluindo os magnéticos, uma vez que o modelo projetado foi capaz de fazer a leitura dos

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19/19 dados reológicos, como viscosidade plástica e tensão de cisalhamento dos materiais estudados, além de ter um baixo custo e tempo de fabricação. Os dados reológicos obtidos por meio do instrumento aqui criado se mostraram coerentes (e muito próximos) quando comparados com os dados obtidos para uma amostra do mesmo material através do MCR Anton Paar®.

Claims (4)

1. REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS, caracterizado por uma estrutura metálica de suporte (3), polia para transmissão de torque (1), parafusos de fixação (2), O’ring de vedação (4), mancais (5), buchas de material de baixo atrito (6), retentores (7), conjunto eixo-disco (8), chaveta para travamento da polia no eixo (9), tampa (10), pino de vedação (11), eletroímã (12), fonte de corrente (13), suporte para encoder de velocidade (14), encoder de velocidade (15), eixo para disco encoder de velocidade (16), disco encoder de velocidade (17), cabo para fixação na célula de carga de máquinas universais de ensaios (19), prensa cabo (22).

2. REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS, conforme reivindicação 1, caracterizado por ser capaz de caracterizar fluidos magnéticos devido ao (12) eletroímã e (13) fonte de corrente.

3. REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS conforme reivindicação 1, caracterizado por ser adaptável a máquinas universais de ensaios.

4. REÔMETRO ADAPTÁVEL A MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS conforme reivindicação 1, caracterizado por poder ter suas dimensões construtivas alteradas, sem perda da capacidade de caracterização de fluidos e fluidos magnéticos, de acordo com os dispositivos disponíveis para operação (como células de cargas mais sensíveis ou elementos de précarga, entre outros).