Cables de conexión para sensores de galgas extensométricas: ¿qué hay que tener en cuenta?

Los cables de señal que se emplean para conectar sensores de galgas extensométricas a un módulo amplificador deben cumplir una serie de requisitos. Los cables son importantes para obtener medidas correctas. También lo son para que las máquinas que se basan en la aplicación de fuerza funcionen de manera fiable. Cuando se planifica una configuración, hay que valorar cuidadosamente qué cable debemos utilizar —y no solo qué sensor— aunque pueda parecer algo secundario en comparación con otros aspectos, como determinar la incertidumbre de medida o seleccionar las interfaces adecuadas.

¿En qué se diferencian los cables de medida de los cables de alimentación estándar?

Para responder a esta pregunta, ante todo hay que tener en cuenta el orden de magnitud de la tensión de salida de los sensores de galgas extensométricas.

La señal de salida de un sensor de galgas extensométricas se expresa en mV/V. Dependiendo del diseño, los sensores de fuerza de HBK generan señales de entre 0,5 mV/V y más de 4 mV/V, cuando se cargan con su fuerza nominal.

Por ejemplo, el sensor U10F/250KN produce una señal de salida de 2 mV/V cuando se le aplica una fuerza de 250 kN. Los sensores de fuerza suelen funcionar con una tensión de alimentación (excitación) de 5 V. Por tanto, cuando se le aplica la fuerza nominal, el sensor U10F/250KN genera una tensión de salida de 10 mV, que un amplificador moderno puede resolver fácilmente en más de 500.000 dígitos. Un dígito corresponde a una variación de tensión de 0,02 µV, equivalente a 0,5 N. El gran desafío consiste en transmitir esa pequeña variación desde el sensor al amplificador de medida sin pérdidas ni interferencias. Para ello, los cables de señal deben cumplir una serie de requisitos:

  • Apantallamiento integral y de alta efectividad, para garantizar la seguridad incluso en entornos electromagnéticos críticos.
  • Baja capacidad y baja resistencia de línea. De lo contrario, se puede crear un circuito RC en el cable, que puede originar desplazamientos de fase y errores de amplitud en medidas rápidas. También puede actuar como un filtro no deseado.
  • Simetría capacitiva de los conductores: los pares de conductores individuales deben capacidades idénticas, para evitar influencias indeseables cuando se utilizan amplificadores de medida de frecuencia portadora.
  • Alta simetría geométrica, para compensar influencias electromagnéticas y capacitivas.

Un cable de señal del tipo empleado para conectar galgas extensométricas tiene cuatro (o seis) hilos independientes (ver figuras). La capacidad entre los hilos depende del diseño y la longitud del cable. Lo ideal es que todas las capacidades sean idénticas y lo más bajas posible. Los colores de los hilos que se indican en las figuras son los estándar de HBK. El azul y el negro suministran la tensión de alimentación al circuito de las galgas extensométricas. Los hilos rojo y blanco transmiten la señal de medida, que es la que se amplifica y evalúa.

Con carácter general, lo que le recomendamos para cumplir todos los requisitos anteriores es que utilice cables diseñados específicamente para medidas con galgas extensométricas.

¿Por qué hay distintos tipos de cables?

Hasta ahora, solo hemos hablado de los requisitos puramente metrológicos de los cables de señal.

Sin embargo, en la práctica, se les piden muchas otras características adicionales; por ejemplo, que sean aptos para cadenas portacables, que tengan una determinada resistencia a la temperatura o que ofrezcan una precisión de medida particularmente alta. No hay un cable individual que cumpla todos los requisitos posibles.

En su catálogo de accesorios estándar para transductores de fuerza, HBK ofrece tres tipos de cable adaptados a distintas necesidades.

El cable Tipo 131, de menos de 4 mm de diámetro, está indicado para entornos difíciles, incluidas cadenas portacables. Su pequeño diámetro es una gran ventaja desde el punto de vista mecánico. A cambio, da lugar a mayores capacidades y resistencias de línea. Por ello, este cable no es adecuado para líneas largas con frecuencias portadoras altas (4,8 kHz). Es más, para mediciones muy rápidas, solo se recomienda si la longitud de cable es inferior a 10 m.

Los cables Tipo 131 también pueden utilizarse cuando interesa que la derivación de fuerza sea la mínima posible.

El cable Tipo 139B tiene un diámetro exterior de 7,5 mm. Aparte del apantallamiento exterior, típico de todos los cables de señal, en este caso también están apantallados los pares de hilos individuales; es decir, los dos hilos que conectan la salida del sensor de fuerza al amplificador de medida, los dos hilos que transportan la tensión de alimentación y las líneas de detección. De este modo se garantiza que la corriente de la línea de alimentación no afecte ni a la señal de medida ni a las líneas de detección.

Este tipo de cable tiene una capacidad muy baja y es adecuado para altas frecuencias portadoras y longitudes de línea muy largas (≥100 m). Es idóneo para mediciones de alta precisión en el rango de referencia. Entre sus inconvenientes, es muy rígido y tiene un radio de flexión muy grande, que lo hacen inadecuado para aplicaciones en las que el cable deba estar permanentemente en movimiento. Tampoco es válido para cadenas portacables. Se puede decir que es la versión "especializada" del cable Tipo 131.

El tercer tipo de cable viene a ser un compromiso entre los dos anteriores. Los cables Tipo 157 son de baja capacidad, presentan una baja resistencia de línea pero son menos rígidos que los de doble apantallamiento. Además, pueden emplearse para medidas a alta temperatura.

Consulte aquí las características técnicas de nuestros cables. Todos nuestros cables se encuentran disponibles en distintas longitudes.

Aparte de todo lo anterior, es importante prestar atención a los límites de temperatura. Las influencias químicas también pueden crear problemas. Los fabricantes no pueden testar sus cables frente a todas las sustancias químicas imaginables; por tanto, la única manera de determinar el cable más adecuado en cada caso es hacer una prueba práctica.

Los cables a los que se hace referencia en este artículo no pueden tenderse por el suelo. Si la aplicación lo requiere —o si tiene cualquier otra consulta sobre su aplicación—, le recomendamos que pida asesoramiento a su ingeniero de ventas de HBK.

Si tiene intención de soldar el conector al cable por su cuenta, asegúrese de que el apantallamiento quede perfectamente conectado a la tierra. En los productos HBK, el apantallamiento del cable está conectado galvánicamente a la carcasa del transductor de fuerza y a la del amplificador. De este modo, toda la cadena de medida se encuentra en el interior de una jaula de Faraday. Gracias a este diseño, las cadenas de medida de fuerza HBK tienen un excelente nivel de inmunidad a las interferencias electromagnéticas. El procedimiento de ensayos de tipo de todos los sensores de fuerza de HBK incluye ensayos en laboratorios de compatibilidad electromagnética y ensayos conformes con las normas IEC.

Si el sensor y el amplificador no tienen el mismo potencial eléctrico, pueden generarse corrientes de compensación en el apantallamiento del cable, que a su vez pueden producir interferencias importantes en las medidas. Por lo tanto, la carcasa del amplificador y el sensor deben estar en cortocircuito a baja resistencia.

Si su aplicación requiere el uso de cables muy largos, es recomendable utilizar prolongadores, sobre todo si sus transductores de fuerza tienen cables de conexión fijos. Pensando en este tipo de aplicaciones, también vendemos cables por metros, que resultan útiles en bancos de ensayos que, de vez en cuando, deben reconvertirse.

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