Cuando se hacen mediciones en lugares como, por ejemplo, un puente o las alas de un avión, los puntos de medición pueden encontrarse a gran distancia de los instrumentos de medición. Si no se puede acceder directamente a los puntos de medición, los instrumentos deben conectarse mediante cables de gran longitud. Esto tiene un inconveniente: el conductor del cable puede tener una resistencia de varios ohmios y eso puede afectar negativamente a la medición. Por ejemplo, si se producen cambios en la resistencia eléctrica del cable durante la medición como consecuencia de variaciones de temperatura.

En el caso de los hilos conductores que se instalan en serie con las galgas extensométricas en el mismo brazo del puente, la respuesta de temperatura originada por el calentamiento del cable se puede calcular del modo siguiente:

 

 Q = Conductividad del material conductor      

Ejemplo:

Un cable de cobre de 1 m de longitud (0,5 m para la alimentación y otros 0,5 m para el retorno) con una sección de 0,15 mm2, conectado en serie con una galga extensométrica de 120 ohmios, genera una respuesta de temperatura de 20 µm/m para una variación de 10 K. En igualdad de condiciones, la respuesta de temperatura con una galga extensométrica de 350 ohmios es de tan solo 7 µm/m.

Existen distintos tipos de circuitos de galgas extensométricas que permiten compensar la resistencia de los cables de señal. En este artículo se describen tres tipos de circuitos basados en montajes de puente de Wheatstone, y se explican sus ventajas e inconvenientes.

Circuito de 2 hilos

En el circuito de 2 hilos, las galgas extensométricas y el amplificador se conectan a través de dos cables (ver la figura 1). El diagrama del circuito muestra cómo la resistencia del cable se suma dos veces (alimentación y retorno) a la resistencia de la galga extensométrica.

Esto influye en el punto cero y en la sensibilidad del puente. De hecho, la resistencia del conductor debe tenerse en cuenta incluso para longitudes de cable de unos poco centímetros. El circuito de 2 hilos resulta especialmente sensible a las variaciones de temperatura durante la medición, puesto que el cambio en la resistencia afecta instantáneamente al valor medido.

Hemos comprobado la estabilidad témica del circuito de 2 hilos con galgas extensométricas y con un amplificador QuantumX MX1615

Resultado de la prueba: los resultados de medición que se obtienen con un circuito de 2 hilos no tienen valor. Los cambios en la resistencia del cable debidos a variaciones de temperatura perturban seriamente los resultados de medición

Los cambios de resistencia asimétricos en el circuito de la galga extensométrica dan lugar a errores de medición. Los cambios en la resistencia no se corrigen. 

 

Fig. 1: Conexión de la galga extensométrica en ua configuración de dos hilos

Circuito de 3 hilos regulado

En el circuito de 3 hilos, se conecta un hilo adicional a un punto de la resistencia de medición, lo que da lugar a un segundo circuito de medición que se puede utilizar como referencia. En este montaje, se mide la tensión en la galga y el amplificador incrementa la tensión de alimentación, compensando la pérdida de tensión debida al aumento de la resistencia en el cable. En consecuencia, la tensión en la galga extensométrica es idéntica con o sin cable, y el cable no tiene influencia en la sensibilidad.

El circuito de 3 hilos regulado requiere que los dos hilos de corriente tengan una resistencia idéntica, ya que la tensión solo se mide en uno de ellos y la corrección se lleva a cabo multiplicando por dos la pérdida de tensión detectada. En consecuencia, si se utiliza un cable de cuatro hilos, sería un error conectar dos hilos paralelos para reducir la resistencia del cable. Esto daría lugar a un error de punto cero importante. Por otro lado, en el caso de las rosetas y cadenas de galgas extensométricas, es indispensable asegurarse de que la resistencia RKab1 se corresponda con todas las resistencias RKab2 conectadas en paralelo.

Nuestras pruebas también muestran que los cambios en la resistencia solo se corrigen en uno de los hilos del cable. Los cambios asimétricos en la resistencia, como la interferencia en los puntos de contacto, afectan al resultado de medición. Los cambios simétricos en la resistencia, como las variaciones de temperatura durante la medición, se compensan mediante el circuito de retorno.

Fig. 2: Conexión de la galga extensométrica en una configuración de 3 hilos

Circuito de 4 hilos regulado

Los circuitos de 4 hilos, como el circuito Kreuzer patentado por HBM, son los únicos capaces de compensar diferencias en las resistencias de cable. En este circuito, una corriente eléctrica conocida atraviesa la resistencia utilizando dos de los hilos. La caída de la tensión en la resistencia RKab1 se corrige (alta impedancia) mediante dos hilos adicionales.

El circuito Kreuzer mide la tensión en la resistencia RKab2 y la suma a la alimentación. La tensión, y por lo tanto la corriente a través de la resistencia complementaria Rerg, son independientes de la resistencia del cable. Los errores de sensibilidad y punto cero derivados de los efectos del cable se compensan electrónicamente. 

Nota: Los tres gráficos muestran una medición realizada con una galga extensométrica y montajes de circuitos de 2, 3 y 4 hilos. En los gráficos, da la impresión de que las tres técnicas ofrecen la misma estabilidad. Sin embargo, observamos escalones en los gráficos de 2 y 3 hilos; con el circuito de 4 hilos, el gráfico se mantiene estable.

Nuestro ensayo demuestra que el circuito Kreuzer patentado ofrece resultados de medición precisos gracias a

  • Una elevada estabilidad térmica
  • Una corrección de los cambios en la resistencia de los dos conductores del cable.

Tanto los cambios asimétricos —por ejemplo en los conectores— como los cambios simétricos de la resistencia —por ejemplo por la variación de temperatura— se corrigen y no influyen en el resultado de la medición. 

                   

Fig. 3: Conexión de una galga extensométrica con un circuito Kreuzer patentado de HBM 

Galgas extensométricas de HBM

Compensación de las resistencias de los cables de señal con QuantumX MX1615

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