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Medición de fuerzas en derivación de fuerza (force shunt):
Tres métodos utilizados en la práctica
La medición de fuerza mediante transductores de fuerza calibrados ofrece una alta exactitud y excelente reproducibilidad.
Los tres métodos más utilizados son:
- Instalación directa de galgas extensométricas (strain gauges)
- Uso de transductores de deformación atornillables
- Uso de transductores tipo arandela (force washers) basados en tecnología de galgas extensiométricas o piezoeléctricas.
1. Medición mediante galgas extensométricas (SG)
La instalación directa de galgas extensométricas sobre la estructura permite medir la deformación y relacionarla con la fuerza aplicada.
Ventajas
- Mínima influencia sobre la rigidez y comportamiento dinámico de la estructura
- Ideal para estructuras ligeras o de baja sección transversal
- Alta sensibilidad a pequeñas deformaciones
- Posibilidad de compensar efectos parásitos como:
- flexión
- torsión
- cargas excéntricas
En aplicaciones de tensión/compresión pura suelen emplearse puentes completos de galgas extensométricas instalados a 45 °.
La señal de salida depende de:
- El factor de galga (gauge factor)
- La deformación mecánica
- La relación de Poisson del material
Desventajas
- Señales eléctricas relativamente pequeñas
- Instalación delicada y dependiente de la experiencia del técnico
- Requiere:
- Preparación superficial
- Adhesivos
- Agentes de protección
- Cableado cuidadoso
También es posible incrementar la sensibilidad debilitando localmente la estructura, aunque esto modifica la rigidez y el comportamiento dinámico del sistema.
2. Uso de transductores de deformación
Los transductores de deformación son sensores atornillables que incorporan:
- Un elemento elástico
- Un puente completo de galgas extensométricas
- Protección mecánica y ambiental
Su principio de funcionamiento consiste en concentrar la deformación en una zona de menor rigidez dentro del sensor, aumentando así la sensibilidad respecto a la deformación real de la estructura.
Características principales
- Instalación rápida mediante tornillos
- No requieren adhesivos
- Disponibles con electrónica integrada
- Posibilidad de calibración directamente en la aplicación
- Compensación térmica
- Alta resistencia (por ejemplo 700 Ω) en sensores con salida análoga, permitiendo conexión en paralelo de varios sensores sin necesidad de un amplificador de alta alimentación.
Ventajas prácticas
Al instalar múltiples sensores en posiciones opuestas sobre una columna o estructura, es posible compensar automáticamente efectos de flexión y medir únicamente la componente axial de fuerza.
Además, estos sensores pueden entrar en operación inmediatamente después del montaje y aplicación de protección anticorrosiva (por ejemplo protector ABM75).
3. Uso de transductores de fuerza tipo arandela (Force Washers)
Las arandelas de fuerza permiten medir cargas en tornillos o pernos mediante:
- Tecnología de galgas extensométricas
- Tecnología piezoeléctrica
El diámetro interno de la arandela está diseñado para adaptarse a roscas métricas estándar.
Características
- Diseño compacto
- Instalación sencilla
- Alta robustez mecánica
- Buena sensibilidad
En este método, el tornillo y la arandela actúan como elementos elásticos en paralelo, generando una derivación de carga que reduce la sensibilidad aproximadamente en un 10 %.
Recomendaciones importantes
Para asegurar buena repetibilidad:
- Es indispensable aplicar una precarga (preload)
- Idealmente, la suma entre precarga y carga de trabajo debe representar aproximadamente el 50 % de la carga nominal del sensor
Esto es especialmente importante en sensores piezoeléctricos.
En sistemas basados en SG, las superficies de contacto deben:
- Estar rectificadas
- Endurecidas (~43 HRC)
- Mantener irregularidades menores a 20 µm
Calibración de sistemas en derivación de carga
Los tres métodos comparten una característica fundamental:
La calibración debe realizarse después de la instalación sobre la estructura real.
Generalmente se utiliza una calibración de dos puntos:
- Sin carga
- Carga conocida máxima o de referencia
Debido a la linealidad de estos sensores, esta metodología suele ser suficiente para aplicaciones industriales convencionales.
En algunos transductores modernos, la electrónica integrada simplifica el proceso mediante:
- Ajuste automático de ganancia
- Funciones de cero independientes
- Salidas analógicas:
- 0 V – 10 V
- 4 mA – 20 mA
Conclusiones sobre la medición de fuerzas en derivación de carga
La medición de fuerza en derivación de carga (force shunt) ofrece distintas alternativas prácticas que permiten medir fuerzas con mínima afectación sobre la rigidez y el comportamiento mecánico de la estructura.
Métodos como:
- Galgas extensométricas,
- transductores de deformación,
- y arandelas de fuerza,
son soluciones eficientes para aplicaciones industriales y monitoreo estructural.
Sin embargo, cuando se requiere alta exactitud, los transductores de fuerza a base de galgas extensiométricas o piezoeléctricos siguen siendo la mejor opción, ya que:
- Cuentan con calibración de fábrica,
- Tienen incertidumbre de medición conocida,
- Ofrecen mayor precisión que las mediciones indirectas en derivación de carga.
Transductores de alta exactitud como el transductor S9M de HBK permiten alcanzar niveles de exactitud que normalmente no son posibles mediante medición en derivación de carga.
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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