En la práctica se utilizan tres métodos

El empleo de transductores de fuerza para medir fuerzas ofrece importantes ventajas, por ejemplo, una alta precisión. Sin embargo, algunas veces trae más cuenta medir las fuerzas mediante derivación. Para estos casos existen sensores especiales perfectamente adaptados a la aplicación. Este artículo explica los tres métodos utilizados para hacer mediciones mediante derivación de fuerzas.

Los transductores de fuerza calibrados tienen la ventaja de que la curva característica que se determina durante la calibración —es decir, la relación entre la fuerza aplicada y la señal de salida— se puede reproducir fácilmente incluso después de su instalación sobre el terreno. La condición previa es que el transductor de fuerza debe montarse en la dirección de aplicación de la fuerza y que no haya derivación de fuerzas. Es preciso asegurarse de que toda la fuerza que se desea medir fluye a través del transductor.

Esto también significa que las características específicas del transductor de fuerza —por ejemplo, la rigidez y el comportamiento dinámico— afectan al diseño en su conjunto.  Además, los transductores de fuerza para fuerzas elevadas son estructuras muy grandes.

Como alternativa, se puede realizar una medición de la fuerza basándose en la deformación de una estructura de medición. Para ello, existen tres métodos diferentes.

Los tres métodos que pueden utilizarse son los siguientes:

  • Instalación de galgas extensométricas 
  • Utilización de extensómetros roscados, a veces incluso con electrónica integrada
  • Utilización de anillos de medida de fuerzas, con galgas extensométricas o tecnología piezoeléctrica

La tabla muestra las principales ventajas e inconvenientes de los distintos métodos: 

Instalación de galgas extensométricas Utilización de extensómetros Utilización de anillos de medida de fuerzas

Ventajas
 

 
  • Adecuados para estructuras muy afiligranadas sobre las que se aplican fuerzas pequeñas y que no permiten el uso de otros métodos a causa de la excesiva derivación de fuerzas
  • Requisitos mínimos de espacio
 
 
  • Fáciles de instalar: pueden atornillarse a las estructuras existentes y se montan con rapidez
  • Compensación de los efectos de la extensión que es necesario suprimir cuando se conectan varios
  • Versiones con electrónica integrada que pueden calibrarse directamente en la aplicación
 
 
  • Ideales para utilizarse sore pernos o tornillos
  • Alto nivel de protección
  • Se entregan listos para instalación
 
Inconvenientes
 
 
  • Gran esfuerzo de instalación (unión, cableado, revestimiento de protección)
  • Es preciso calibrar el shunt de fuerzas
 
 
  • Es preciso calibrar el shunt de fuerzas (el esfuerzo se reduce si se utilizan variantes con electrónica integrada)
 
 
  • Es preciso calibrar el shunt de fuerzas
 

Utilización de galgas extensométricas para medir fuerzas en estructuras

Fig. 1: Galga extensométrica VY41. La galga extensométrica está lista para conectarse a un circuito de puente completo, que minimiza el trabajo de cableado. Obsérvense las marcas de alineación de 45 grados, que son esenciales para la instalación en

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

Las galgas extensométricas (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 extensométricas 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 extensométricas 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 [1], [2].

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 extensométricas de puente completo, por ejemplo las VY41 de HBM, que deben instalarse con una inclinación de 45 grados.

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

Donde:

U/U0 Señal de salida del puente de medición
kFactor de la galga extensométrica
εNivel de extensión de la galga extensométrica
µCoeficiente de Poisson

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 extensométricas adheridas. Para que la estructura alcance una rigidez definida, la señal de salida que puede obtenerse es muy pequeña.

Además, la galga extensométrica tiene instalarse in situ. Se requiere un revestimiento de protección. Por otro lado, las galgas extensométricas tienen que conectarse con mucho cuidado, lo que incrementa el tiempo necesario para llevar a cabo la instalación. La instalación de galgas extensométricas se describe con detalle en las instrucciones que se suministran junto con los adhesivos y agentes de revestimiento, así como en los artículos y seminarios de HBM.

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 extensómetros para medir fuerzas

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

Los extensómetros 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 extensométrica de puente completo.

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

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

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

Donde:

εSGExtensión presente bajo la galga extensométrica
εObjectExtensión entre las dos conexiones roscadas
lStrain sensorDistancia entre las dos conexiones roscadas
lStrain zoneLongitud del área con debilitamiento estructural

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 extensómetro 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 extensométrica 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 extensómetros 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 extensómetros 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 extensómetros 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 extensómetros 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 extensómetro 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 anillos de medida de fuerzas

Fig. 5: Anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas CFW, disponibles de 20 a 700 kN. En la figura: 330 y 700 kN
Fig. 4: Anillo de medida de fuerzas KMR, el diseño de menor tamaño, con fuerza nominal de 20 kN
Fig. 6: Para control de herramientas, un anillo mide las fuerzas que actúan sobre una conexión roscada.

Los anillos de medida de fuerza pueden estar basados en galgas extensométricas 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 especifica 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 este 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 [3].

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 extensómetros. 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.

HBM suministra anillos de medida de fuerzas para aplicación de fuerzas con transductores basados en galga extensométrica. 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 que 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 precisión, en general es suficiente con una calibración de dos puntos

La electrónica integrada del extensómetro 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 1 V y la extensión máxima a 9 V. Sin embargo, el intervalo de salida está comprendido entre 0 y 10 V 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 extensométrica o piezotecnología siguen siendo la primera opción cuando se requiere una gran precisión. Por las siguientes razones:

  • No es preciso ajustar el transductor de fuerza después de la instalación, porque los transductores se suministran calibrados con alta precisión. 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 precisión de 0,02) permite conseguir una gran precisión que no puede conseguirse en la mediciones por derivación de fuerzas.

Referencias

[1]Karl Hoffmann, “Eine Einführung in die Technik des messens mit Dehnungsmessstreifen”, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 1989
[2]Stephan Keil, “Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen”, Genius Verlag, 1995
[3]T. Kleckers, „Piezoelektrische Kraftaufnehmer : 5 Regeln für Installation und Montage“, página web de HBM, 2009

 

 

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