Los transductores de fuerza de alta precisión abren la puerta a nuevos campos de aplicación

La tecnología de medición de fuerza está encontrando aplicaciones totalmente nuevas, derivadas del uso de transductores de alta precisión. Gracias a productos como el transductor de fuerza de compresión C10 de HBM, se pueden configurar cadenas de medición capaces de soportar sobrecargas muy elevadas, sin sacrificar por ello la validez de los resultados. Y las ventajas no terminan ahí: al ser un transductor de fuerza muy flexible, puede utilizarse en tareas de medición muy variadas. En otras palabras, los transductores de fuerza de alta precisión no solo son obras maestras de la tecnología, sino que además ofrecen importantes ventajas económicas. Para verlo con claridad, lo mejor es fijarnos en las fuentes de errores potenciales durante la medición de fuerza.

Los transductores de fuerza modernos ofrecen los niveles de precisión más altos. Además, los efectos de la temperatura sobre los resultados de medida son extremadamente reducidos. Por ejemplo, la influencia de la temperatura sobre el punto cero (TC0) tiene un valor máximo de 0,075 %/10K, en el caso del sensor C10. Los errores de linealidad y de histéresis son también sumamente bajos, dependiendo de la fuerza nominal que se seleccione.

  • Se puede diseñar una cadena de medición capaz de soportar sobrecargas elevadas, por ejemplo para evitar daños en el transductor de fuerza. Así, aunque el transductor de fuerza C10 se utilice únicamente al 20% de su fuerza nominal, la precisión es lo suficientemente alta como para obtener resultados significativos en prácticamente cualquier circunstancia.
  • A la vista de todo lo anterior, se puede ampliar el espectro de aplicaciones y llevar a cabo diferentes tareas de medida sin necesidad de cambiar de sensores. El rango de medida utilizable más amplio se traduce en ahorro, porque no hace falta modificar los bancos de ensayos. En las aplicaciones de producción, se reduce la variedad de sensores necesarios.

Posibles fuentes de error

En el contexto de los transductores de fuerza de galgas extensométricas, se puede distinguir entre dos grupos de errores:

  • Errores independientes de la carga: son errores que no dependen de la fuerza aplicada; la señal del error es siempre la misma, con independencia de cuál sea el valor medido. Se calculan como un porcentaje de la fuerza nominal del transductor de fuerza.
  • Errores en función de la lectura: son proporcionales a la fuerza aplicada en el momento de la observación; por tanto, pueden calcularse como un porcentaje del valor medido.

La influencia de la temperatura en el punto cero (TC0) es un ejemplo de error independiente de la carga. Esta desviación de la lectura tiene un valor absoluto específico que no guarda relación con la fuerza medida. Si consideramos esta fuente de error en relación con la señal de salida, la conclusión es que es un error especialmente acusado cuando solo se emplea un pequeño porcentaje de la fuerza nominal. Su valor absoluto siempre es el mismo, pero su influencia porcentual es mayor cuanto menor es la señal útil.

Por ejemplo, supongamos que en un transductor de fuerza típico con tecnología convencional para una fuerza nominal de 100 kN, el TC0 es del 0,5% por cada 10 kelvin.

Eso significa que una variación de temperatura de 10 K genera una contribución del 0,5% de la fuerza nominal a la incertidumbre de medida; es decir, una incertidumbre de 0,5 kN. Si el sensor de fuerza no se utiliza para medir 100 kN sino 20 kN, la incertidumbre de medida continúa siendo de 0,5 kN. Ahora bien, como la fuerza que se mide es más pequeña, la contribución a la incertidumbre de medida sería del 2,5%.

Veamos ahora la misma situación en el caso del sensor C10. Existe un modelo de la serie C10 con fuerza nominal de 100 kN. Sin embargo, su TC0 es tan solo del 0,075% por cada 10 kelvin.

Por tanto, el error es de 75 N y, al igual que en el ejemplo anterior, se mantiene constante a lo largo de todo el rango de medida. Si el moderno sensor C10 se utiliza a 20 kN, la parte de error debida al TC0 pasa del 2,5% (tecnología convencional) a tan solo el 0,375%.

Aparte del TC0, el error de linealidad también se refiere al fondo de escala. Por tanto, las consideraciones anteriores le son igualmente aplicables.

En cambio, los errores referidos al valor efectivo se calculan con respecto a la señal instantánea aplicada. Esas fuentes de error incluyen, por ejemplo, la dependencia de la sensibilidad con la temperatura (TCS), la fluencia e incluso la tolerancia de una calibración.

Para evaluar el error total, es preciso efectuar la suma geométrica de cada error individual, lo que significa que para mejorar de forma significativa la precisión de medida es indispensable reducir los errores individuales más importantes. En muchos casos, el TC0, la linealidad y la histéresis son de vital importancia. Como esos errores —como ya se ha dicho— dependen del fondo de escala (o sea, la señal de salida cuando se utiliza toda la fuerza nominal), cualquier mejora de esos parámetros resultará especialmente efectiva. Además, permitirá utilizar el transductor de fuerza en el llamado "rango de carga parcial" (es decir, cuando solo se utiliza una parte de la fuerza nominal).

El sensor C10 de HBM amplía las opciones de aplicación

HBM ha rediseñado en profundidad el sensor C10, centrándose específicamente en los errores asociados al fondo de escala. El efecto de la temperatura sobre los transductores de fuerza siempre ha sido muy pequeño. No obstante, se han hecho mejoras considerables en términos de linealidad e histéresis. Igualmente, se ha mejorado la tolerancia a la fluencia.

Error de linealidad (ppm)

Capacidad

Anterior

Nueva

Mejora

2.5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40025038%
50 kN40035013%
100 kN40035013%
250 kN40035013%
500 kN40035013%
1 MN60050017%

 

Histéresis (en ppm)

Capacidad

Anterior

Nueva

Mejora

2.5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40030025%
50 kN4004000%
100 kN50040020%
250 kN50040020%
500 kN50040020%
1 MN60050017%

Fluencia (30 min) en ppm

Capacidad

Anterior

Nueva

Mejora

2.5 kN40020050%
5 kN40020050%
10 kN40020050%
25 kN25020020%
50 kN25020020%
100 kN25020020%
250 kN25020020%
500 kN25020020%
1 MN25020020%

¿Cuáles son las consecuencias prácticas de estas mejoras?

El diagrama muestra una tarea de medición típica:

  • Tiempo de medición: 30 min
  • Variación de temperatura: 10 °C.
  • Sensor: C10/25KN
  • Se aplica carga al sensor hasta la fuerza nominal

El diagrama muestra la incertidumbre de medida en función de la fuerza que se mide. El rediseño del sensor ha tenido un efecto positivo notable: se ha podido ampliar de forma significativa el rango de medida, manteniendo la misma incertidumbre de medida determinada arbitrariamente.

La figura de más abajo muestra las ventajas de unas medidas de fuerza más precisas. En el eje X se representa la fuerza que debe medirse en una aplicación de control de calidad. En el eje Y se representa el número de artículos producidos. La producción de artículos tiene la forma de una gaussiana. Los diagramas muestran unas líneas verdes, que son las tolerancias admisibles. La incertidumbre de medida de la cadena de medición de fuerza se representa en rojo, a izquierda y derecha de las líneas verdes.


Fig. 2: Control de un proceso con un sistema de medición de fuerza con alta y con baja precisión.

Para evaluar el proceso, es preciso conocer la precisión de medida del transductor. Pensemos ahora en los controles en los que se decide si un artículo es aceptable o no aceptable (OK/NOK). Los artículos únicamente se pueden dar por buenos (OK) cuando quedan dentro del intervalo objetivo menos la tolerancia de medición (el área rallada en los diagramas).

Es evidente que el número de artículos aceptables aumenta cuanto mayor es la precisión de medida. En otras palabras, el número de artículos que se rechazan también depende de la precisión de la cadena de medición de fuerza.

Los transductores de fuerza modernos, como los C10, S2M, S9M, o U10M de HBM, ofrecen altos niveles de precisión muy por encima de la media del mercado para su clase. Sobre todo en lo que respecta a los factores que afectan a la incertidumbre de medida y que dependen del fondo de escala. Eso permite utilizar una cadena de medida en su rango de carga parcial, lo que a su vez incrementa notablemente la tolerancia a las sobrecargas. La consecuencia última es una mayor fiabilidad. Sobre todo, la mínima influencia de la temperatura en el punto cero es lo que hace posible utilizar un mismo sensor para distintos rangos de medida. O elevar el porcentaje de artículos aceptables como resultado de la alta precisión de medida que puede alcanzarse.

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