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Medición de pequeñas fuerzas con alta carga inicial

En la industria es frecuente encontrar una situación particular en diversas aplicaciones. Hablamos de cuando el transductor de fuerza utilizado para la aplicación ya se encuentra bajo una carga inicial alta que no es el objetivo de la medición. La fuerza que se va a medir es en realidad una superposición muy pequeña.

Ejemplos de aplicaciones típicas:

  • Las arandelas de fuerza están pretensadas debajo de los pernos y sin embargo, necesitan registrar fuerzas extremadamente pequeñas.
  • Los sensores que se sujetan en su lugar con una fuerza considerable deben detectar la más mínima aplicación de fuerza para las tareas de monitoreo.

En este artículo presentamos las ventajas de los sensores piezoeléctricos y los sensores de fuerza basados en galgas extensiométricas.

Ventajas de la tecnología de medición piezoeléctrica

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Diseño de un sensor piezoeléctrico. Cuando se aplica fuerza, los centros de carga se mueven. Se puede medir una carga proporcional a la fuerza en las superficies del cristal.

Los sensores piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se aplica una fuerza. El diagrama anterior ilustra el principio de funcionamiento.

Las cargas se generan proporcionalmente a la fuerza. La unidad de medida de la carga es pC (10-12 Coulombs, lo que equivale a una carga de 3,12 * 10-6 cargas elementales).

Los sensores que utilizan cuarzo como material del sensor piezoeléctrico exhiben una sensibilidad de aproximadamente 4,3 pC/N. Esto significa que si se aplica una fuerza de un Newton al sensor, se produce una carga de 4,3 pC.

Algunos sensores utilizan fosfato de galio como cristal piezoeléctrico. La ventaja es que de esta manera se puede lograr el doble de sensibilidad. La misma fuerza produce el doble de carga. Las cargas se dirigen a un amplificador de carga, que convierte la señal en una señal de 0 … 10 V.

La ventaja de esta tecnología es que la sensibilidad del sensor sigue siendo la misma independientemente de la fuerza nominal (nominal), asumiendo el mismo material. También se puede usar un sensor muy grande para medir una fuerza muy pequeña.

Otra razón para preferir esta tecnología es que las cargas pueden ajustarse físicamente a cero. Se puede utilizar un cortocircuito para producir una carga de cero pC en la entrada cuando el sensor se carga con una fuerza (en nuestro ejemplo, tensión previa).

En esta situación, el amplificador de carga puede ajustarse a una sensibilidad más alta para que el intervalo de medición corresponda a la fuerza que se está midiendo. El pre-estrés no es relevante. No hay diferencia para la resolución y exactitud de la medición si un sensor piezoeléctrico funciona con carga inicial o sin ninguna. Siempre es posible poner a cero la entrada del amplificador de carga utilizando la función RESET.

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Sensor piezoeléctrico que funciona con una carga inicial: después de aplicar la carga inicial, la cadena de medición se pone a cero mediante un reinicio. Ahora el amplificador de carga se puede operar en un rango de medición muy bien ajustado (más pequeño).

Ejemplo:

Se instala una arandela de fuerza debajo de un perno. El objeto es medir una fuerza de tracción que actúa sobre la conexión por tornillo. Primero se aplica la fuerza de pretensado. La fuerza de tensión previa también se puede determinar midiéndola con la propia arandela de fuerza.

Se puede realizar un balance de cero para la cadena de medición activando un RESET en el amplificador de carga. Entonces no hay carga en la entrada. Ahora el amplificador de carga se puede configurar en cualquier intervalo de medición. Y se pueden medir de forma fiable incluso fuerzas muy pequeñas.

Para tener en cuenta:

  • Esta medición es especialmente sencilla con los amplificadores de carga digitales modernos como el amplificador de carga digital CMD600, que se puede ajustar a cualquier intervalo de medida.
  • En el ejemplo que se muestra aquí, la medición está en la derivación de fuerza. Se requiere una calibración en la instalación antes de que las fuerzas puedan medirse cuantitativamente. 
  • Los sensores piezoeléctricos siempre están sujetos a variaciones. Esto hace que sea necesario llevarlos a cero cíclicamente o utilizar un filtro de paso alto. Si ninguna de las opciones está disponible, se deben utilizar sensores basados en galgas extensiométricas.

Ventajas de la tecnología basada en galgas extensiométricas

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Izquierda: elemento de resorte, centro: la fuerza que se mide provoca deformaciones, que las galgas extensiométricas convierten en un cambio de resistencia. Derecha: el circuito del puente de Wheatstone convierte los cambios en la resistencia en un voltaje medible.

Los sensores basados en galgas extensiométricas (SG) funcionan según el siguiente principio:

  • Se aplica una fuerza a un elemento de resorte de modo que el elemento de resorte se deforme mínimamente.
  • Las galgas extensiométricas se pegan en puntos adecuados para convertir la deformación en un cambio de resistencia eléctrica.
  • Con un cableado experto (un circuito de puente de Wheatstone) y un suministro de tensión, este cambio en la resistencia finalmente se puede convertir en una tensión medible.

La ventaja de los sensores de galgas extensiométricas es que se pueden calibrar eléctricamente con diferentes características, como el coeficiente de temperatura del punto cero y la sensibilidad, el efecto del momento flector y también la linealidad. Dependiendo de los requisitos, se puede lograr una exactitud incomparable con esta tecnología.

La señal de salida de un sensor de este tipo es una tensión. La tensión siempre depende de la tensión de excitación que alimenta al sensor. Sin tener en cuenta las señales de salida resultantes de efectos de error (temperaturas, cargas parásitas, etc.), quedan dos parámetros que determinan la señal general:

  • El “error relativo de señal cero” describe la señal de salida de un transductor descargado.
  • La fuerza aplicada sobre el sensor se convierte en una señal de salida eléctrica medible como se describe anteriormente.

Si se realiza un balance de cero en el software o en un amplificador de puente de medición, siempre es una suma o resta de las dos tensiones descritos anteriormente. Por lo general, esto se puede hacer mediante cálculo en el amplificador o software. La tensión de salida de la cadena de medición permanece sin cambios. El intervalo de medición del sensor debe seleccionarse para que corresponda a la fuerza total, es decir, la tensión previa aplicada y la fuerza a medir.

En el ejemplo anterior, al monitorear un cable de acero que soporta una línea eléctrica, los cambios en la fuerza de tensión son muy pequeños en comparación con la tensión base. Dado que es necesario adquirir un pequeño cambio de señal en un amplio intervalo de medición, es comprensible que,  se requiera una resolución muy alta para la señal de medición. Los errores en la cadena de medición de la fuerza también deben ser significativamente menores que los cambios en la fuerza que se están midiendo.

Las magnitudes de influencia, especialmente las relacionadas con el valor de escala total en las observaciones de incertidumbre de medición, juegan un papel importante aquí. 

Un bajo efecto de la temperatura en las señales de cero, un pequeño error de linealidad y una baja fluencia son muy importantes para obtener resultados de medición fiables. Sin embargo, a diferencia de la medición de fuerzas muy pequeñas con sensores con una fuerza nominal alta, el coeficiente de sensibilidad a la temperatura es una consideración importante en esta aplicación. Como se explicó anteriormente, el sensor cargado genera una tensión de salida, incluso si no se muestra porque el amplificador se ha puesto a cero. Si la sensibilidad del sensor cambia debido al efecto de la temperatura, esto impacta directamente en la señal de salida. Este impacto aumenta cuando aumenta la carga inicial aplicada constantemente, en nuestro ejemplo, una alta tensión del cable.

Para tener en cuenta:

  • Los transductores de fuerza cortante radialmente simétricos son muy exactos y resistentes y han demostrado su eficacia en muchos casos, especialmente si la medición se realiza a temperaturas cambiantes. Los sensores de este tipo exhiben muy poca fatiga (250 ppm en 30 min) y especialmente muy pocos errores de temperatura. El nuevo transductor de fuerza de compresión C10 tiene una dependencia de la temperatura del punto cero de solo 75 ppm/10K. El transductor de fuerza U10M alcanza valores característicos excelentes similares.
  • Vale la pena considerar los transductores de fuerza en forma de S (S2M, S9M) para fuerzas pequeñas. También funcionan con mucha exactitud. Sin embargo, a diferencia de los transductores de fuerza cortante radialmente simétricos, se deben aceptar las restricciones en el comportamiento dinámico.
  • Debido a que los sensores SG no están sujetos a deriva, no hay alternativa a la tecnología basada en galgas extensiométricas si no es posible un RESET cíclico o el uso de filtros de paso alto.

Conclusión

La medición de pequeñas fuerzas o pequeños cambios en las fuerzas impone altos requisitos en la precisión de los sensores.

El principio piezoeléctrico ofrece la ventaja de que el intervalo de medición del amplificador de carga se puede seleccionar de manera que se ajuste exactamente a la pequeña fuerza que se va a medir.

Los sensores basados en SG ahora están disponibles con una exactitud extremadamente alta. Los efectos de la baja temperatura, las pequeñas desviaciones de linealidad y la excelente ausencia de deriva según el principio de funcionamiento los convierten en la primera opción para todos los procesos en los que no es posible la puesta a cero cíclica.

Measuring small forces with high initial load. (s.f). [Tips & Tricks]. HBK Company. Recuperado de: https://www.hbm.com/en/4615/measuring-small-forces-with-high-initial-load/ [junio 2021].

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