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¿Conoces los métodos de medición mediante derivación de fuerza?

3 Métodos de medición mediante derivación de fuerza

Los 3 métodos de medición mediante derivación de fuerza

  1. Instalación de galgas extensiométricas
  2. Utilización de extensómetros roscados, a veces incluso con electrónica integrada
  3. Utilización de anillos de medida de fuerzas, con galgas extensiométricas o tecnología piezoeléctrica

Ventajas y desventajas de cada método

Utilización de galgas extensiométricas para medir fuerzas en estructuras

Instalar directamente las galgas extensiométricas para medir la fuerza tiene varias ventajas.

Las galgas extensiométricas (SG) adheridas prácticamente, no influyen en la estructura del objeto que se somete a la prueba. La rigidez y el comportamiento dinámico de la estructura, en su conjunto permanecen inalterados.

Las galgas extensiométricas ofrecen claras ventajas cuando se trata de estructuras de filigrana, porque éstas se deforman con fuerzas muy pequeñas.

En este tipo de instalaciones se utilizan galgas extensiométricas de puente completo que, bien elegidas, son capaces de compensar los efectos parásitos (por ejemplo, momentos de flexión o torsión) o, por lo menos, los miden.

Si tenemos una carga de tracción/compresión sin que actúe ningún momento de flexión sobre la pieza de trabajo, la solución ideal son las galgas extensiométricas de puente completo, por ejemplo, las VY41 de HBM, que deben instalarse con una inclinación de 45 grados.

Galga extensométrica VY41
Fig. 1: Galga extensométrica VY41. La galga extensométrica está lista para conectarse a un circuito de puente completo, que minimiza el trabajo de cableado.

La señal de salida de un puente de medición de este tipo depende únicamente del factor de la galga extensiométrica que se utiliza, del nivel de extensión y del coeficiente de Poisson. Se puede calcular con la siguiente ecuación:

formula-factor-galga-extensiometrica

Suponiendo una tensión mecánica de 20 MPa en una estructura de acero con una extensión resultante de 100 µm/m y un factor de galga de 2, la formula anterior permite calcular una señal de salida de 0,13 mV/V.

Este cálculo también pone de manifiesto el gran inconveniente de las galgas extensiométricas adheridas. Para que la estructura alcance una rigidez definida, la señal de salida que puede obtenerse es muy pequeña.

Además, la galga extensiométrica tiene que instalarse en sitio. Además, requiere un revestimiento de protección.

Por otro lado, las galgas extensiométricas tienen que conectarse con mucho cuidado, lo que incrementa el tiempo necesario para llevar a cabo la instalación.

El debilitamiento controlado del componente proporciona un medio sencillo de incrementar la señal de salida del puente de medición, pero eso afecta a la rigidez del objeto, lo que, a su vez, influye en el comportamiento dinámico y la estabilidad.

Utilización de extensiómetros para medir fuerzas

Los extensiómetros son sensores que pueden instalarse en una estructura ya existente. Estos transductores están basados en un elemento de muelle en el que se ha instalado una galga extensiométrica de puente completo.

Como puede apreciarse en la imagen, estos extensiómetros tienen un revestimiento de silicona (área blanca del extensómetro) que, además de aislar la humedad, aporta una cierta protección mecánica.

Los extensiómetros están basados en el principio de los transformadores de extensión. La extensión en la zona de las galgas extensiométricas instaladas, es mayor que entre dos conexiones roscadas.

Extensiómetro-HBM-SLB700
Fig. 2: Extensiómetro SLB700 basado en galga extensométrica
instalacion-galga-extensiometrica
Fig. 3: Elemento de muelle SLB: La imagen muestra claramente el área de extensión donde se ha instalado la galga extensométrica

La Figura 3 muestra el elemento de muelle SLB. La extensión aplicada al transductor, está centrada en la zona de instalación de la galga extensiométrica.

Razón: en este caso se utiliza una rigidez significativamente reducida. El incremento en exceso de la extensión, puede calcularse de forma aproximada con la siguiente ecuación:

formula-calculo-extension-galga-extensiometrica

Este planteamiento contiene algunas simplificaciones.

Se supone que la zona donde se aplica la extensión, está a su vez, libre de extensión. Por supuesto, esto no es cierto en términos estrictos.

Se presupone que la sensibilidad del extensiómetro se puede ajustar por medio de la proporción entre la longitud de la zona de extensión y la distancia entre las dos conexiones roscadas. De este modo, en principio se puede conseguir una sensibilidad muy alta, si bien, en la práctica se ha demostrado una señal de salida de 1,5 mV/V a 500 µm/m resulta favorable. Esto da como resultado, un incremento de sensibilidad del 230 % con respecto a una galga extensiométrica de puente completo como la descrita anteriormente.

La dilatación de los componentes a causa de la temperatura se compensa mediante medidas adecuadas en la circuitería.

Además, existen extensiómetros con electrónica integrada que se pueden calibrar en la propia aplicación, creando con ello una cadena de medición extremadamente eficaz.

Los sensores sin electrónica tienen una alta resistencia de puente, del orden de 700 Ω, lo que permite conectar en paralelo varios extensiómetros, sin que se requiera una amplificación excesivamente alta de la tensión de alimentación.

Esta medida produce, no obstante, efectos de extensión que es necesario suprimir y compensar. Por ejemplo, para monitorizar las fuerzas de presión en una columna, la única proporción de extensión relevante es la que resulta de la carga de tracción/compresión.

Supongamos que tenemos dos extensiómetros conectados en paralelo y montados sobre una columna a la misma altura, uno enfrente del otro. Cuando se aplica una carga de flexión, un transductor experimentará una extensión más alta, mientras que el otro tendrá una extensión menor en la misma magnitud. En conjunto, se mide solo la proporción de extensión resultante de la carga de tensión o compresión, y se compensa la flexión.

Los extensiómetros SLB de HBM se pueden montar sobre estructuras utilizando tornillos 4 M6. Para ello solo se requiere una superficie plana, libre de pintura o de cualquier otro revestimiento.

Una vez montado el extensiómetro con tornillos apretados al par recomendado, aconsejamos aplicar alguna protección contra la corrosión, por ejemplo, película ABM75. Con ello, el sensor queda listo para su uso.

Utilización de extensiómetros para medir fuerzas

Los anillos de medida de fuerza pueden estar basados en galgas extensiométricas o en tecnología piezoeléctrica. Independientemente del principio seleccionado:

Los anillos de medida de fuerzas se pueden usar con pernos o tornillos. Por consiguiente, el diámetro interno del anillo de medida de fuerzas coincide con los diámetros externos más comunes de las roscas métricas.

La ficha técnica de los anillos de medida de fuerzas KMR específica también dimensiones en pulgadas.

La derivación de fuerzas, sale del perno o tornillo en el que se ha instalado el anillo de medida de fuerzas, funcionando como elemento de muelle en paralelo. Con ello se reduce la sensibilidad del sistema de medición. En este caso, cabe esperar un valor de aproximadamente un 10 %.

Por consiguiente, los anillos de medida de fuerzas no se pueden calibrar en fábrica; en este caso, similar a los otros dos métodos antes descritos, se requiere siempre calibración en la derivación de fuerzas.

Para garantizar una buena reproducibilidad es esencial aplicar un preesfuerzo al anillo de medida de fuerzas. La magnitud de ese preesfuerzo depende de la fuerza nominal del sensor y de la fuerza a medir.

Los momentos de flexión más altos, actúan sobre un anillo de medida de fuerzas cuando éste está cargado al 50 %. Idealmente, el preesfuerzo debería ser tal, que la suma de la fuerza del preesfuerzo y la carga de trabajo sean, de media, el 50 % de la fuerza nominal del anillo de medida de fuerzas. Esta recomendación se aplica en particular, a los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas.

Los anillos de medida de fuerzas proporcionan un alto grado de protección y se entregan listos para montar; en este sentido, tienen las mismas ventajas que los extensiómetros. Además, los anillos de medida de fuerzas proporcionan una sensibilidad suficiente que, en el caso de los transductores piezoeléctricos, es independiente incluso de la fuerza nominal.

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Fig. 4: Anillo de medida de fuerzas KMR, el diseño de menor tamaño, con fuerza nominal de 20 kN
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Fig. 5: Anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas CFW, disponibles de 20 a 700 kN.

HBM suministra anillos de medida de fuerzas para aplicación de fuerzas con transductores basados en galga extensiométrica.

Estos productos garantizan una distribución uniforme de las fuerzas a lo largo de toda la circunferencia. Si no es posible usar estos anillos, es preciso endurecer (43 HRC) y conectar a tierra la superficie que entra en contacto con los transductores. Además, la irregularidad del material no puede ser superior a 20 µm

Calibración de las cadenas de medición en la derivación de fuerzas

Los tres métodos descritos tienen en común, que es necesario calibrar la cadena de medición, una vez hecha la instalación. Esto significa que es preciso hacer mediciones en dos puntos de fuerza conocidos, como mínimo.

Después, las fuerzas se correlacionan con la señal de salida del sensor. Debido a que el comportamiento del sensor es lineal dentro de unos límites de error definidos con mucha precisión y teniendo en cuenta, que estos métodos, no se pueden emplear en mediciones de alta exactitud, en general es suficiente con una calibración de dos puntos.

La electrónica integrada del extensiómetro sigue esta misma línea de razonamiento. La calibración requiere solo una medición en la posición cero y un impulso de control enviado al componente electrónico.

Cuando se aplica la fuerza máxima se requiere un segundo impulso de control. A continuación, la electrónica se ajusta automáticamente. Por supuesto, es posible hacer una puesta a cero por separado sin cambiar el factor de ganancia.

La extensión cero corresponde a un valor de 1V y la extensión máxima a 9V. Sin embargo, el intervalo de salida está comprendido entre 0 y 10V con el fin de dejar un margen del 10 % a ambos lados del campo de medida para acomodar sobrecargas o extensiones negativas.

La electrónica también permite convertir una extensión negativa de entrada en tensiones de salida positivas. Actualmente, también existen versiones que utilizan este mismo principio y ofrecen un rango de salida de 4…20 mA.

Medición de fuerzas mediante derivación: conclusiones

Este artículo muestra que: existen varios métodos útiles para hacer mediciones mediante derivación de fuerzas. Todos los métodos tienen en común, que solo afectan marginalmente al comportamiento mecánico de la estructura en su conjunto, o no lo afectan en absoluto.

Sin embargo, los transductores de fuerza basados en galga extensiométrica o piezotecnología, siguen siendo la primera opción cuando se requiere una gran exactitud.

Por las siguientes razones:

  • No es preciso ajustar el transductor de fuerza después de la instalación, porque los transductores se suministran calibrados con alta exactitud.. Cuando se miden fuerzas mediante derivación siempre se requiere una calibración directa sobre el objeto.
  • La incertidumbre de las mediciones de los transductores de fuerza es conocida y es posible influir en ella por medio de la elección del modelo de transductor.
  • El empleo de transductores de alta calidad (por ejemplo, el S9M de HBM, que tiene una exactitud de 0,02) permite conseguir una gran exactitud, que no puede conseguirse en las mediciones por derivación de fuerzas.

Bibliografía

HBM an HBK Company, Mediciones mediante derivación de fuerza (s.f.) Recuperado https://www.hbm.com/es/2955/mediciones-mediante-derivacion-de-fuerzas/ [Actualizado marzo 2022]

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