Dependencia de las galgas extensométricas con la temperatura

En los análisis de tensión mecánica se efectúan mediciones con galgas extensométricas para examinar la carga y la fatiga.

Además de la señal de medición deseada, que indica una tensión mecánica, cada galga extensométrica produce también una señal de medición que depende de la temperatura. Esta señal, denominada deformación aparente, se superpone a la lectura real.

Existen varios efectos que contribuyen a la deformación aparente:

  • Dilatación térmica del objeto de medición (es decir, deformación debida únicamente a la temperatura, sin que esté causada por ninguna carga mecánica).
  • Variación dependiente de la temperatura en la resistencia de la galga extensométrica.
  • Dilatación térmica de la rejilla de medición de la galga extensométrica.
  • Respuesta de temperatura de los cables de conexión.

Los efectos de la temperatura de las mediciones con galgas extensométricas se pueden compensar. Por ejemplo, conectando varias galgas extensométricas entre sí para formar un puente completo o un medio puente. Esta técnica aprovecha el principio del puente de Wheatstone, en el que se aplican tensiones a distintas galgas extensométricas que actúan sobre la señal de medición con signos opuestos (positivo y negativo). Si las galgas se sitúan adecuadamente, la tensión resultante del puente solo representa la carga mecánica y los efectos dependientes de la temperatura se contrarrestan entre sí.

Este artículo no trata más a fondo la compensación de la temperatura con un medio puente o un puente completo, puesto que el tema central es la dependencia de las galgas extensométricas con la temperatura. El caso que se representa más abajo, con un circuito de galgas extensométricas de cuarto de puente, muestra los cuatro efectos mencionados anteriormente. La deformación aparente dependiente de la temperatura se puede reducir mediante respuestas de temperatura adaptadas.

Respuestas de temperatura adaptadas en galgas extensométricas

La deformación aparente que entra en escena con los cambios de temperatura se puede representar de forma simplificada del modo siguiente:

Con los siguientes parámetros:
εs = deformación aparente de la galga extensométrica
αr = coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica de la rejilla de medición
αb = coeficiente de expansión térmica del objeto de medición
αm = coeficiente de expansión térmica del material de la rejilla de medición
k = factor de la galga (también llamado factor k)
Δϑ = diferencia de temperatura que inicia la deformación aparente

Durante la fabricación de las galgas extensométricas se pueden hacer distintas cosas para minimizar la deformación aparente. Una de ellas consiste en adaptar el coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica de la lámina de la rejilla de medición mediante medidas técnicas durante la producción, para que los términos de la ecuación se contrarresten entre sí. De esta forma αr = (αm - αb) • k

Así, existen diversos tipos de galgas extensométricas, idénticos en términos de geometría y valores de resistencia, pero con diferentes respuestas de temperatura, en función del material en que se deba instalar la galga extensométrica. Es posible adaptar la respuesta de temperatura a un amplio intervalo de coeficientes de expansión térmica (por ejemplo, al acero ferrítico con un coeficiente de expansión térmica de 10.8 • 10-6 / K o al aluminio con 23 • 10-6 / K). En estos casos la galga extensométrica se denomina “galga extensométrica con coeficiente de temperatura adaptado” o, más brevemente, “galga extensométrica autocompensada”.

Sin embargo, la ecuación de la deformación aparente es una representación simplificada, que solo incluye los elementos lineales. También se deben tener en cuenta los errores residuales en forma de variables no lineales. Para minimizar el error lo más posible, el error residual se ajusta al nivel más bajo posible dentro del intervalo, alrededor de la temperatura ambiente.

La deformación aparente aparece impresa en todos los envases de galgas extensométricas de HBM, en forma de diagrama. También se especifica un polinomio, normalmente de tercer grado. El polinomio se puede utilizar para efectuar una compensación informática. El diagrama siguiente muestra un ejemplo procedente de la ficha técnica de una galga extensométrica.

Por supuesto, esta compensación solo es válida si el coeficiente de expansión del material coincide con la adaptación de la galga extensométrica. Si se cumple esta condición y se mide la temperatura en paralelo a las deformaciones, el error residual se puede eliminar mediante cálculos realizados con un software adecuado, durante la medición (en línea) o a posteriori (postprocesamiento).

Como muestra la curva, la necesidad de aplicar una compensación para reducir errores de medición asociados a la temperatura es tanto mayor cuanto más varía la temperatura ambiente. Y a la inversa: esta clase de compensación informática no es necesaria si durante la medición los cambios de temperatura son mínimos; por ejemplo porque la medición dura muy poco tiempo o porque la temperatura del entorno está controlada.

A continuación se muestra un ejemplo de compensación informática del error residual con el software de adquisición de datos de medición catman AP.

Compensación de temperatura en línea con el software DAQ catman AP

El software de adquisición de datos catman AP1 puede emplearse para establecer parámetros, ajustar parámetros de medición y representar los valores medidos, todo ello con unos pocos clics de ratón. Es posible definir parámetros que indiquen al software que se requiere compensación de temperatura.

Para que el software lleve a cabo la compensación de temperatura, se deben introducir los siguientes datos para cada uno de los canales que se desee compensar:

  • Referencia al canal de temperatura correspondiente.
  • Polinomio de deformación aparente, que figura en el envase de la galga extensométrica.

Es posible compensar simultáneamente todos los canales que tengan el mismo parámetro para el canal de temperatura correspondiente y el mismo polinomio. Las galgas extensométricas procedentes de un mismo lote de fabricación siempre tienen el mismo polinomio.

A la hora de definir los canales de temperatura, tenga en cuenta que se debe medir la temperatura real del material en el punto de medición. Dependiendo de la aplicación, pueden ser necesarios varios puntos de medición de temperatura.

Con catman AP, se puede acceder al cuadro de diálogo de configuración de las galgas extensométricas desde la hoja de trabajo central de “canales de medición”. Para ello, marque los canales que desee adaptar y haga clic con el botón derecho del ratón para abrir el diálogo de “Adaptación del sensor".

Todos los ajustes de la galga extensométrica se pueden efectuar en este cuadro de diálogo de configuración de la galga extensométrica.


Esto incluye, en especial, el factor de la galga. No obstante también se deben ajustar otros parámetros relacionados con la compensación de temperatura:

  • El coeficiente del polinomio (que figura en el envase de la galga extensométrica)
  • El coeficiente de expansión térmica del objeto de medición (que, idealmente, debe ser idéntico a la adaptación de la galga extensométrica)
  • El coeficiente de expansión térmica al que se ha adaptado la galga extensométrica (que se indica en el envase de la galga extensométrica)
  • La temperatura de referencia (habitualmente 20 °C)
  • El canal de temperatura correspondiente.

A partir de estos datos, catman AP calcula directamente valores de medición compensados.

Conclusión

Cuando se utilizan galgas extensométricas en el análisis de tensiones mecánicas, a menudo se combinan para formar un circuito de cuarto de puente. En las mediciones aparecen efectos de temperatura que distorsionan los resultados de medición.

Para compensar estos efectos, existen galgas extensométricas con distintas respuestas de temperatura adaptadas. De esta forma se compensan, al menos, los elementos lineales del error.

El error residual, debido a elementos no lineales, se puede describir mediante una curva de error y eliminarse a través de procesos matemáticos, vía software.

Para garantizar una compensación apropiada de los efectos dependientes de la temperatura se deben cumplir las siguientes condiciones:

  • Se debe conocer el coeficiente de expansión térmica del material y utilizar una galga extensométrica con la adaptación correspondiente.
  • Se debe medir paralelamente la temperatura en el punto de medición.
  • Se debe utilizar un software con un algoritmo matemático adecuado.
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