Medición y trazabilidad del par en grandes transmisiones mecánicas

Existen muchas maneras de medir el par. Una forma de garantizar la trazabilidad consiste en utilizar un transductor de par calibrado de fábrica con una precisión determinada, asociada a una cadena de comparaciones ininterrumpida y documentada que relacione el transductor de par con un patrón primario.

En el campo de los motores marinos, las mediciones de precisión son indispensables para determinar la eficiencia y, en consecuencia, para cumplir las estrictas normas medioambientales que se aplican a estos equipos navales. La optimización de motores marinos con ayuda de mediciones de par altamente precisas y fiables abre la puerta a un ahorro energético considerable. Además, permite seguir el ritmo de la normativa internacional, que plantea requisitos cada vez más exigentes a los motores marinos con un elevado par nominal [1].

La potencia motriz se puede calcular de manera sencilla si se conoce con precisión el par Ϻ entre el generador y el lado de impulsión del mecanismo giratorio, y la velocidad angular ω. La relación viene dada por la fórmula (1):

 

Una medición de par exacta hace posible un control preciso del sistema de accionamiento mecánico. Eso, a su vez, permite controlar los motores de combustión (por ejemplo, motores multicombustible o de gas) y garantizar que funcionen al régimen óptimo, lo cual contribuye a evitar problemas de detonación, fallos de encendido o sobrecarga, al tiempo que se reduce el consumo de combustible [1].

El par se puede medir de manera directa o indirecta:

Medición de par directa

Para medir el par de forma directa se utiliza un transductor de par insertado en la línea del eje motriz (ver la Fig. 2). El transductor de par se entrega calibrado de fábrica con la maquinaria adecuada, y se puede instalar, retirar, volver a colocar y recalibrar fácilmente.

Medición de par indirecta

La medición indirecta del par en un eje cilíndrico consiste en medir parámetros relacionados con el par y después hacer cálculos.

a) Medición del esfuerzo en la superficie del eje primario. Se adhieren galgas extensométricas directamente al eje y se conectan a un puente de medición. La alimentación del puente de medición y el retorno de la señal de medición se producen sin contacto.

b) Otro método para determinar el par en un eje cilíndrico consiste en medir el ángulo de torsión.

Estos dos métodos ofrecen algunas ventajas; por ejemplo, facilitan la modernización de los sistemas ya existentes. En función de las tolerancias de la instalación y de los componentes empleados, puede que el valor de par que vaya a calcularse posteriormente presente una incertidumbre relativamente alta (ver la Tabla 1) y que ello redunde en una incertidumbre de medición relativamente importante.

Calibración y trazabilidad

Para cumplir las estrictas normas medioambientales a las que está sujeta la industria de los motores marinos es imprescindible garantizar la precisión de las mediciones de potencia motriz o eficiencia; por otro lado, en este sector los pares son cada vez mayores. Por todo ello, la calibración y la trazabilidad de esta magnitud física son objeto de una atención cada vez mayor. Básicamente, las técnicas empleadas para calibrar el par se subdividen en dos categorías: los sistemas de pesos/brazo de palanca y los de transductor de referencia.

  • Sistemas de pesos/brazo de palanca: se hacen actuar unos pesos calibrados sobre el espécimen mediante un brazo de palanca de longitud conocida [3], con lo cual se genera un par definido con precisión.
  • La segunda técnica de calibración del par consiste en emplear un transductor de fuerza de referencia con un brazo de palanca [2].
  • El tercer principio consiste en un transductor de par de referencia, que proporciona un valor de referencia. Este último sistema permite emplear cualquier mecanismo para generar el par que después se mide con el transductor de referencia [2].

La nueva máquina de calibración de par de HBM

Para cumplir todos los requisitos aplicables, la nueva máquina de calibración (ver la Fig. 3) emplea un transductor de referencia que proporciona un valor de par de referencia.

Como transductores de referencia se utilizan transductores de par T10FH/150 kN•m y T10FH/400 kN•m modificados. Gracias a estos dos transductores de precisión se obtienen mediciones con una incertidumbre del 0,1%. El factor más determinante para este extraordinario resultado de es la cadena de comparaciones ininterrumpida y documentada, que relaciona estos transductores de par con el transductor de referencia que sirve como patrón nacional alemán (ver la pirámide de trazabilidad de la Fig. 4).

La incertidumbre de medición del patrón nacional alemán (la máquina de calibración de rango más alto, propiedad del PTB, con 1,1 MN•m, también conocida como “máquina patrón de par”, referente de esta nueva máquina de calibración de 400 kN•m) es del 0,08 %.

Un sensor con semejante precisión permite medir el par y, en consecuencia, calcular la potencia y la eficiencia con una exactitud como mínimo 10 veces mayor de lo que exigen las actuales normas medioambientales de la industria naval.

Referencias

[1] K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2] R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[3] Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Conferencia sobre ciencia de la medición en Anaheim, EE. UU. (2002)

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