En los últimos años, los transductores de fuerza han alcanzado un alto nivel técnico. En parte, la alta precisión de los transductores se debe a la mejora de las posibilidades de calibración. Pero en muchísimos casos los transductores de fuerza no pueden calibrarse una vez instalados en la aplicación, a diferencia, por ejemplo, de las células de carga. Para obtener resultados de medición correctos y fiables es importante que, en la práctica, el transductor se monte de una forma lo más parecida posible a la instalación de calibración, de modo que solo se produzcan desviaciones aceptables conforme a las especificaciones técnicas.

La precisión de medida de un transductor de fuerza depende fuertemente de su situación de instalación. Las situaciones de instalación desfavorables no solo afectan negativamente a la exactitud de las mediciones, sino también a las propiedades dinámicas de la cadena de medición y a la sensibilidad a los efectos de los campos electromagnéticos.

1. Efecto de la dirección de la fuerza

a. Aplicación de fuerza oblicua

Los manuales de uso de los transductores, por ejemplo el transductor de fuerza C2 de HBM, establecen que las fuerzas que actúan sobre los transductores de fuerza deben ejercerse exactamente en la dirección de medición, siempre que sea posible.

Hay varias razones para ello. En primer lugar, porque las fuerzas aplicadas en ángulo producen un error de medida sistemático, ya que el transductor de fuerza mide solo fuerzas en la dirección de medida. En gran medida, las fuerzas aplicadas con un cierto ángulo se compensan debido al hecho de que las fuerzas laterales no son en general de interés a efectos de medición.

 

En este ejemplo, la fuerza Fin que se desea medir se aplica al transductor con un ángulo α. El vector de fuerza de la fuerza aplicada tiene dos componentes Fz y Fx. El sensor solo mide la fuerza en la dirección Z, que es inferior a la fuerza total aplicada.
Si se aplica la fórmula:

Fz = Fin ⋅ cos(α)

El resultado de la medición se queda corto en un factor equivalente al valor de cos(α).

Por otro lado, es estos casos se ejerce una fuerza lateral, que puede calcularse como

Fx = Fin ⋅ sin(α)

La tabla siguiente indica el error de medida que se produce cuando la fuerza se aplica en ángulos de hasta 5 grados:

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %
En comparación, el máximo error individual de los modernos transductores de fuerza (S9M, S2M) es del 0,02 %.

2. Efecto de fuerzas laterales, momentos de flexión y torsiones

a. Fuerzas laterales

Las fuerzas laterales se aplican en perpendicular a la dirección de medición del transductor. La norma alemana VDI/VDE2638 se refiere a ellas como fuerzas que actúan sobre un punto de aplicación de la carga.

Estas fuerzas laterales se generan, por ejemplo, por el propio peso de las piezas de montaje o porque la carga se aplica formando un ángulo. En general, una fuerza lateral induce siempre un momento de flexión, porque es difícil que se aplique a la misma altura a la que se encuentra la galga extensométrica. Por tanto, se genera un error adicional, que depende de la sensibilidad transversal del transductor. Para la mayoría de transductores, este error es notablemente inferior al 1% de la fuerza en la dirección de medición (Fz), para una fuerza lateral equivalente al 10% de Fz.

b. Momentos de flexión

Un error angular importante en la aplicación de la fuerza puede destruir el transductor. En la práctica, el momento de flexión puede ser incluso superior a la fuerza real que se desea medir.

El diagrama de al lado ilustra la situación. Aparte de la fuerza aplicada, el transductor recibe la carga de un momento de flexión. Ese momento de flexión puede ser generado, por ejemplo, por una fuerza lateral en el punto de aplicación de la carga, debido al peso intrínseco de las piezas que aplican la fuerza cuando el transductor se monta en horizontal. La aplicación de cargas excéntricas también puede generar un momento de flexión.

En el ejemplo, el par (que se aplica en sentido horario en el diagrama) rebaja la carga en la parte izquierda del transductor y la incrementa en la parte derecha. Los transductores de fuerza con simetría rotacional (como los C2, U2B o U10M) son especialmente insensibles a los momentos de flexión, porque los compensan empleando múltiples puntos de medida distribuidos a lo largo de la circunferencia. Otros transductores de fuerza, como los U10M y U10S, presentan una característica de alineación del momento de flexión que reduce la influencia del momento de flexión al 0,01%; en concreto, combina los puntos de medida individuales y da como resultado el valor medio.

Independientemente de todo lo anterior, un momento de flexión excesivo puede destruir el transductor. Por otro lado, hay que tener en cuenta que no se obtiene lectura del momento de flexión.

Tampoco hay que olvidar que, en muchos casos, los momentos de flexión llevan asociados una fuerza lateral que impone una carga adicional al transductor (véanse los diagramas siguientes).

 

Se produce un momento de flexión en el lado izquierdo porque la carga se aplica de forma excéntrica. En este caso, no hay fuerza lateral.

Se produce un momento de flexión en el lado izquierdo porque el peso intrínseco de la aplicación de la carga produce un brazo de palanca. La distancia con respecto al centro de gravedad del transductor representa la longitud de la palanca. En este ejemplo sencillo, el peso se transforma en una fuerza. El momento se obtiene multiplicando la fuerza por el brazo de palanca. Además, la fuerza del peso actúa sobre el transductor como una fuerza lateral. Estas dos influencias parásitas deben tenerse en cuenta.

c. Pares de torsión

Los transductores de fuerza diseñados para recibir cargas de tracción y de compresión se suministran provistos de roscas internas (S9, S2, U10)  o externas, consistentes estas últimas en varillas roscadas (U15, Z4, U2B). Durante la instalación del transductor, es importante que esas conexiones roscadas queden bloqueadas en posición, con un par de apriete adecuado. Durante el montaje se suele sobrepasar el par máximo de apriete. Atención: las conexiones roscadas deben quedar bloqueadas en posición de forma que no se transmita ningún par al transductor. Igualmente, conviene tener en cuenta cuál es el par máximo, porque si se sobrepasa el valor límite, el transductor puede resultar destruido.

Durante el funcionamiento, el par se compensa en gran medida por la geometría del cuerpo del sensor y la posición de instalación de las galgas extensométricas.

d. Interacción de todos los momentos, pares y fuerzas laterales

Los límites máximos de carga deben entenderse como aquellos en los que el transductor, una vez que se le aplica la carga nominal, puede admitir alguna de las influencias parásitas. Si actúan simultáneamente varios efectos sobre el transductor, se aplica lo siguiente:

  • Si actúan varias componentes simultáneas a sus valores máximos permitidos, el transductor resulta destruido.
  • Cuando actúen múltiples influencias simultáneamente sobre el transductor, las componentes se suman: El total no puede superar el 100%. Ejemplo: 50% del par admisible, 40% del momento de flexión admisible y 10% de la fuerza lateral admisible. En tal caso, el transductor se encuentra sometido a la carga máxima, puesto que la suma equivale al 100 %.

3. Transductores para fuerzas de compresión con superficies convexas de aplicación de la fuerza

Los transductores diseñados para registrar la fuerza exclusivamente en la dirección de presión suelen estar equipados con una pieza convexa sobre la que se aplica la carga.

La aplicación de la fuerza sobre esta pieza de carga se lleva a cabo con la ayuda de accesorios de aplicación de carga, que se encuentran disponibles para muchos modelos de transductor. Por ejemplo, piezas de aplicación de fuerza como las que se muestran en el diagrama de más abajo.

 

Este tipo de piezas de aplicación se colocan directamente en el punto de aplicación de la fuerza. Solo hay que tener cuidado de que no haya objetos extraños entre la pieza de aplicación y el transductor de fuerza. La pieza de aplicación tiene libertad de movimientos de rotación e inclinación, lo cual evita que se apliquen al transductor momentos de flexión y de torsión.

Si el transductor se instala sin una pieza de aplicación de fuerza de este tipo, el componente que entre en contacto con la zona convexa de aplicación de la fuerza debe cumplir los siguientes requisitos:

  • HBM recomienda una dureza de al menos 43 HRC.
  • La cara de apoyo debe estar rectificada.
  • El montaje debe hacerse de manera que el componente en contacto no pueda levantarse y el transductor no sufra impactos.
  • Si es posible, el componente en contacto debe poder girar y contar con un soporte basculante que evite momentos de flexión y torsiones.

En general, los transductores de fuerza se colocan en la estructura de la aplicación. Eso significa que la fuerza se dirige hacia la estructura que se encuentra bajo el transductor. No obstante, también es posible el montaje horizontal. En este caso, el transductor debe unirse a la estructura mediante una conexión rígida.

En cualquier caso, el elemento estructural sobre el que se asiente la parte inferior del transductor debe estar diseñado para recibir las fuerzas con una deformación mínima. Para ello, debe tener una rigidez suficiente.

Igualmente, es importante que la superficie sea plana. La irregularidad máxima admisible es de 0,005 mm. Un sustrato plano garantiza que el transductor de fuerza se deforme del modo necesario para alcanzar la precisión máxima de medición del fabricante.

La estructura del sustrato debe ser resistente a la deformación y debe tener un diámetro mayor que el del transductor de fuerza. Una subestructura que se deforme de manera significativa o una superficie de apoyo insuficiente o irregular propicia estados de deformación que no se han tenido en cuenta en el diseño del transductor. Por tanto, los datos técnicos relacionados con la sensibilidad, la linealidad y la histéresis podrían cambiar.

Requisitos fundamentales de la superficie de contacto de un transductor de fuerza: tamaño, regularidad y rigidez suficientes.

4. Transductores para fuerzas de tracción y compresión con aplicación roscada de la fuerza

Si, además de fuerzas de compresión, es preciso medir fuerzas de tracción, la aplicación de carga sobre una superficie convexa no resulta práctica.

Para medir fuerzas de tracción y compresión, los componentes que aplican la fuerza al transductor deben estar atornillados a este. Algunos transductores de fuerza como, por ejemplo, los Z4A o U2B, tienen una rosca externa en la parte superior y una rosca interna en la inferior. Los transductores de fuerza de las series U10M y U10S cuentan con roscas internas en los dos extremos de conexión.

Las roscas internas son considerablemente más compactas. Resultan muy adecuadas si el transductor de fuerza debe ser plano. En las roscas externas, la distancia entre la conexión roscada y la zona de instalación de las galgas extensométricas es mayor de forma natural, lo cual tiene un efecto positivo en diversas propiedades metrológicas (como la histéresis). Por este motivo, los transductores que deben medir fuerzas de tracción y compresión con muy alta precisión y reproducibilidad suelen tener rosca externa. La rosca interna solo se utiliza en el extremo no crítico.

En el caso de transductores con rosca interna:

En cada conexión roscada de un transductor de fuerza debe aplicarse una presión exterior suficiente sobre el transductor por medio de una tuerca. Hay dos formas de hacerlo:

a.    Conexión roscada con aplicación de una fuerza superior a la máxima fuerza de funcionamiento

  • Rosque los elementos de conexión a ambos lados del transductor de fuerza.
  • Cargue el transductor de fuerza hasta más allá de su límite nominal (pero sin sobrepasar los límites máximos autorizados).
  • Apriete a mano las contratuercas.
  • Ahora, el transductor puede recibir la fuerza. De este modo, el sensor queda correctamente montado.

En lo que respecta a sobrecargas, consulte el manual de montaje.

b.    Montaje con el par apropiado

  • Rosque los elementos de conexión.
  • Apriete las contratuercas hasta el par especificado en las instrucciones de montaje.

Tenga en cuenta que el par de apriete necesario para el montaje no debe aplicarse bajo ningún concepto a través del transductor. De lo contrario, el transductor puede resultar destruido.

En el caso de transductores con rosca externa:

El componente que se desea conecta debe fijarse en posición al menos mediante una contratuerca. Este requisito no es necesario en las mediciones de fuerza puramente estáticas. Los pares de apriete se especifican en los manuales de instrucciones de los transductores de fuerza.

 

El Z4A (derecha) solo se bloquea por el lado de la rosca interna. El U2B (izquierda) requiere siempre una contratuerca para bloquear la rosca externa)

HBM ofrece anillas articuladas de montaje para prácticamente todos los transductores aptos para fuerzas de tracción y compresión Cuando el transductor se monta empleando al menos una anilla articulada, no recibe momentos de torsión.

Si se utilizan dos anillas articuladas, no deben aplicarse al transductor momentos de flexión y fuerzas en ángulo.

 

Utilización de dos anillas articuladas para la calibración de un U10M con una capacidad máxima de 500 kN

Normalmente, las anillas articuladas no son adecuadas para medir fuerzas dinámicas, porque la holgura de los rodamientos va aumentando con el tiempo, lo cual puede producir errores de medición. Además, el rango de frecuencia en el que pueden utilizarse las anillas articuladas está limitado a unos 10 Hz.

En condiciones dinámicas, recomendamos aplicar las fuerzas a través de elementos flexibles.

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