Todo lo que conviene tener en cuenta

1. Transductores basados en galgas extensométricas

Transductores de fuerza con tecnología de  galgas extensométricas  son equipos de uso muy común, que ofrecen un funcionamiento fiable incluso en condiciones ambientales desfavorables. Su instalación mecánica ya se trató en el artículo  "Instalación de transductores de fuerza". Este artículo habla de su conexión eléctrica.

Los sensores con tecnología de galgas extensométricas utilizan el principio del puente de Wheatstone. Este puente es un circuito compuesto por cuatro resistencias conectadas como se muestra más abajo.

Es indispensable que todos los sensores de galga extensométrica reciban una tensión de alimentación Ub adecuada.

Un sistema amplificador se encarga de suministrar esta tensión de alimentación Ub. Los valores típicos oscilan entre

2,5 y 10 V. Puede consultar el valor adecuado para su transductor de fuerza en la ficha de especificaciones, en el apartado "Rango operativo de la tensión de alimentación".

El diagrama de circuito de más arriba muestra que es suficiente con cuatro hilos para que el puente de Wheatstone funcione. Dos hilos suministran tensión eléctrica al sensor y los otros dos proporcionan tensión de medición al amplificador.

INFORMACIÓN:

La tensión de alimentación de referencia (reference excitation voltage) es la tensión de alimentación que se suministra a los sensores para determinar sus características técnicas.

El rango operativo de la tensión de alimentación (operating range of the excitation voltage) es la tensión de alimentación del puente a la que puede funcionar el transductor de fuerza de conformidad con las especificaciones técnicas.

Si la tensión de alimentación del puente supera el límite especificado, las galgas extensométricas y las demás resistencias del transductor de fuerza se calientan demasiado. Eso altera sus parámetros individuales (sensibilidad, coeficiente de temperatura de la sensibilidad). Cuando la tensión de alimentación se encuentra dentro del rango operativo, estos cambios pueden despreciarse en las aplicaciones experimentales y de producción.

El límite inferior del rango de tensión de alimentación es el resultado de datos experimentales: no se pueden llevar a cabo ensayos con una tensión de alimentación "cero".

En el caso de mediciones de alta precisión (cadenas de medición de referencia), por lo general se recomienda elegir la tensión de alimentación del puente indicada en el certificado de calibración del sensor. Es todavía más recomendable calibrar toda la cadena de medición (transductor y electrónica) de forma conjunta, como un sistema.

2. ¿Cuál es el valor exacto de la tensión de salida del transductor?

La constante nominal exacta de un sensor se puede consultar en el certificado de ensayo. En la mayoría de los casos, esta constante es de 2 mV/V cuando se aplica la fuerza nominal.

Como ya se ha señalado, los sistemas de amplificador son los encargados de suministrar al puente de medición una tensión de alimentación. Esta tensión de alimentación suele ser de 5 V. Si la constante nominal de su transductor de fuerza es de 2 mV/V, dispondrá de 10 mV en la fase de entrada del amplificador cuando el transductor de fuerza se cargue con la fuerza nominal. Por ejemplo, cuando se utiliza un S2M/100 N (fuerza nominal de 100 N, sensibilidad de 2 mV/V a la fuerza nominal) y se carga con 100 N, se obtiene una salida de 10 mV.

Pero, en general, el valor medido no siempre es la carga nominal (digamos 100 N); por supuesto, también debe ser posible detectar valores menores. Si desea medir un valor de 0,1 N, dispondrá de una resolución del orden de 10 µV en la fase de entrada.

Si su amplificador cuenta con una resolución de 100.000 puntos (una cifra inferior a la de un instrumento de alta precisión como el DMP41 de HBM la relación será comparable a la que existe entre la altura de la torre Eiffel (321 m) y el espesor del estuche de un CD.

Los requisitos son considerablemente más exigentes cuanto más complejas son las aplicaciones de medición. Cuanto mejor sea la correspondencia entre la conexión y la aplicación de medición, más fiables serán los resultados de medición.

3. Sensores en un circuito de cuatro hilos

La tecnología de medición con galgas extensométricas requiere conectar como mínimo cuatro hilos. Muchos sensores funcionan de conformidad con este principio, que se denomina circuito de cuatro hilos. Esta configuración se muestra a continuación.

Las resistencias de los hilos aparecen indicadas en los hilos de alimentación. Se mencionan, precisamente, para recordar que no se puede obviar la resistencia del hilo.

INFORMACIÓN:

Se utiliza un transductor de fuerza en un circuito de cuatro hilos. Se conocen los siguientes parámetros:

  • Resistencia del puente: 350 Ω
  • Cable de cobre: sección de 0,14 mm² 
  • Resistencia especificada: ρ = 0.0178 Ω⋅mm²/m

Esto permite calcular la resistencia del cable de cobre:
La resistencia del hilo es de 1,272 ohmios para un cable de conexión de 5 m de longitud (línea de alimentación y línea de retorno) y de 12,72 ohmios para un cable de 50 m.

En consecuencia, el puente de medición y el hilo forman un reductor de tensión, que produce una caída de tensión parcial en el cable. Esto reduce la tensión aplicada al circuito del puente y hace que la señal de salida sea menor, lo que origina una pérdida de sensibilidad.

Esta pérdida de sensibilidad es del 0,36% para 5 m, pero se eleva hasta el 3,6% para 50 m. En la calibración se tienen en cuenta estas variaciones; es decir, la sensibilidad especificada en el certificado de pruebas o en el certificado de calibración siempre es válida para el sensor, incluido el cable que lleva montado.

Por otro lado, la resistencia de los cables de cobre depende de la temperatura. La resistencia se incrementa a medida que aumenta la temperatura, con lo que la tensión aplicada al puente de medición se reduce. Este fenómeno debe tenerse en cuenta durante la calibración del transductor, incluso en el caso los sensores disponibles con distintas longitudes de cable.

 

Los transductores de fuerza de HBM con circuito de cuatro hilos se calibran siempre con su cable; es decir, la sensibilidad indicada es correcta en los extremos del cable. Si el cable se corta, la sensibilidad cambia. Le recomendamos no cortar el cable, con el fin de mantener la calibración.

Debe utilizarse la sensibilidad especificada en el certificado de pruebas:

 

Un certificado de pruebas ofrece mucha información. La sensibilidad es un valor importante que le permite configurar el amplificador. Ejemplo: Transductor de fuerza U93/1kn

No hay que tener en cuenta los cables que llegan a la entrada del amplificador. Dado que los amplificadores modernos emplean fases de entrada de alta impedancia, se puede pasar por alto la caída de tensión en estas líneas.

4. Sensores en un circuito de seis hilos

Muchos sensores utilizan un circuito de seis hilos. Emplean dos hilos adicionales que controlan la tensión de alimentación del puente. En caso de que la resistencia del cable varíe por influencia de la temperatura o por un cambio en su longitud, el amplificador efectúa un reajuste interno hasta alcanzar de nuevo el valor de consigna.

La ventaja de este circuito es que es posible utilizar cables muy largos (hasta 500 m) sin que la sensibilidad de los sensores se vea afectada. Las variaciones en la resistencia de los hilos originadas por las variaciones de temperatura tampoco influyen en el resultado de la medición.

Esto resulta especialmente ventajoso cuando la temperatura del cable y la del transductor de fuerza no son idénticas.

INFORMACIÓN:

Como ya se ha comentado, en los transductores de fuerza con circuito de cuatro hilos no debe modificarse la longitud del cable. Si es preciso modificar la longitud del cable, se recomienda utilizar un alargador de seis hilos. Si alarga el cable, conecte dos hilos de detección además de los de alimentación, para que el amplificador pueda compensar los efectos de la ampliación.

5. Apantallamiento

En los transductores de fuerza de HBM, el apantallamiento del cable siempre está conectado a la carcasa. La jaula de Faraday resultante bloquea los campos electromagnéticos, evitando las interferenciasSi es preciso alargar los cables del sensor, conecte el apantallamiento del cable del sensor al apantallamiento del alargador para mantener la jaula de Faraday. El conector debe insertarse de modo que entre ampliamente en contacto con el apantallamiento.

Si el transductor y el amplificador poseen potenciales distintos, es posible que se produzcan corrientes de compensación a través del apantallamiento del cable, que ocasionan interferencias importantes. Idealmente, se debe hacer una conexión de baja resistencia (línea equipotencial). Recomendamos utilizar un cable con una sección de 16 mm2.

En caso de que esto no sea técnicamente posible, puede cortar el apantallamiento de la toma. De todos modos, esta solución no es la más deseable.

HBM ofrece una amplia gama de cables de medición de aptitud demostrada. Los cables de medición deben cumplir diversos requisitos: baja capacitancia, estabilidad frente a la temperatura y buena simetría.

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