Instalación de transductores de fuerza

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.

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 F_inque se desea medir se aplica al transductor con un ángulo α. El vector de fuerza de la fuerza aplicada tiene dos componentes F_zy F_x. El sensor solo mide la fuerza en la dirección Z, que es inferior a la fuerza total aplicada.
Si se aplica la fórmula:

F_z = F_in ⋅ cos(α)

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

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

F_x = F_in ⋅ 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 %.

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 %.