Serie de artículos: Precisión de las mediciones en el análisis experimental de tensiones. Segunda parte

La tecnología de galgas extensométricas se ha ido optimizando a lo largo de varias décadas con un amplio espectro de opciones para compensar los errores. No obstante, siguen existiendo efectos que influyen negativamente en las medidas. El objetivo de este artículo consiste en poner de relieve las numerosas (aunque con frecuencia evitables) fuentes de errores cuando se utilizan galgas extensométricas en el análisis experimental de tensiones, y contribuir a cuantificar la incertidumbre de medición desde la fase de diseño.

Fig. 6: Diagrama de flujo de la señal en un punto de medición con galgas extensométricas y factores que afectan a la medida

Los componentes de la cadena de medición

Para facilitar la claridad y la comprensión, en este artículo solo se consideran estados de tensión uniaxiales. El diagrama de bloques de la Figura 6 muestra el flujo de una señal de medida. También muestra los factores que influyen en la medida y su efecto, de forma correlacionada con aspectos importantes de la cadena de medición. Los aspectos y efectos que pueden afectar al punto cero se muestran en azul.

El objeto de medida (DUT)

Cuando se aplica una carga al objeto de medida de interés, se genera una tensión σ sobre el material. Esta tensión produce una deformación en el material, que se comporta de forma inversamente proporcional a la constante elástica. La deformación del material puede caracterizarse como una deformación superficial, con ayuda de una galga extensométrica (GE).

La constante elástica tiene un cierto grado de incertidumbre (tolerancia de la constante elástica). Pruebas exhaustivas realizadas con aceros estructurales han dado como resultado un coeficiente de variación del 4,5%. La constante elástica también se ve afectada por la temperatura, bajo la forma de un coeficiente de temperatura de la constante elástica.

Si la galga extensométrica se adhiere a una superficie que se alarga aumentando su convexidad (por ejemplo, una varilla que se dobla), la deformación de la rejilla de medición es superior a la de la superficie del componente.

El motivo de ello se debe a la distancia con respecto a la fibra neutra: cuando más lejos se encuentra la rejilla de medición de esta fibra neutra y cuando más delgado es el componente, mayor es el valor medido. El espesor de la capa de adhesivo y la estructura de la galga extensométrica producen también efectos de menor magnitud. Cualquier variación en la temperatura ∆t que actúe conjuntamente con el coeficiente de dilatación del material produce una dilatación térmica, que es significativa en las mediciones referidas al punto cero.

Los efectos elásticos posteriores (causados por los procesos de relajación en el seno de la microestructura del material) hacen que la deformación del material se reduzca en cierta medida después de una carga espontánea. En definitiva, la fórmula de más arriba tiene asociadas varias fuentes de incertidumbre.

Leyenda de las fórmulas

La instalación

El valor de entrada que necesitamos es la deformación del material. En el caso ideal, es idéntico a la deformación de la rejilla de medida integrada en la galga extensométrica:

En la práctica, lo cierto es que se producen errores de alineación y otros errores de instalación, por más cuidado que uno tenga. La galga extensométrica es un elemento de resorte sujeto a una tensión mecánica. Después de aplicarle una carga que le produce una deformación espontánea, exhibe una fluencia de retroceso en sus bordes exteriores. Esta fluencia también depende de las propiedades reológicas del adhesivo y del soporte de la galga. Asimismo, exhibe una pequeña histéresis. (Este efecto de retroceso de la galga extensométrica se utiliza en la construcción de transductores para minimizar efectos residuales del material que producen una deformación adicional indeseable; para ello, se ajustan las longitudes de los puentes transversales que no son sensibles a la deformación de la galga extensométrica). En el análisis experimental de tensiones, los efectos anteriores solo pueden compensarse con niveles importantes de gasto y esfuerzo. Con frecuencia, no es necesario compensarlos. Por otro lado, se puede producir un exceso de deformación debido a una superficie de instalación curvada (ver más arriba).

Si los puntos de medición no están adecuadamente protegidos de la humedad, el adhesivo y el soporte pueden absorber humedad e hincharse. En tal caso, se producirá una fracción de error, en forma de una deformación no intencionada de la galga extensométrica, específica de la aplicación.

Asimismo, el contenido de humedad afecta a la estabilidad de los valores medidos, igual que ocurre en todos los métodos de medición (ver más abajo: Galga extensométrica: resistencia de aislamiento). Muy especialmente en las mediciones referidas al punto cero, el ingeniero que lleva a cabo una prueba puede no saber si lo que observa es la deformación de interés del material o, simplemente, alguno de los efectos que se han descrito. Por todo ello, proteger el punto de medición es una condición previa esencial para obtener resultados fiables, y más aún en el caso de las mediciones referidas al punto cero.

Todos los fenómenos descritos coinciden en una cosa: la deformación de la rejilla de medición no coincide exactamente con la deformación del material en la dirección en que se le aplica la tensión.

La galga extensométrica

Una galga extensométrica convierte la deformación de una rejilla de medición en un cambio relativo en la resistencia, proporcional a la deformación.

La tolerancia del factor K y su sensibilidad a la temperatura contribuyen a la incertidumbre.

Conviene señalar que, si la deformación no se distribuye de forma homogénea, el cambio relativo en la resistencia corresponde al promedio de la deformación de la rejilla. Dicho de otro modo: si se selecciona una longitud activa errónea en la galga extensométrica, los valores medidos de deformación y tensión del material resultarán demasiado pequeños o demasiado grandes. Eso es especialmente relevante cuando se miden los valores máximos de los picos de tensión mecánica metrológicamente. Y el valor máximo de tensión suele ser un parámetro de interés.

La respuesta de la galga extensométrica a la temperatura afecta al punto cero. Su efecto es importante cuando existen grandes diferencias de temperatura y, más aún, cuando la galga extensométrica no se adapta bien al coeficiente de expansión térmica del material (DUT), porque se producen interferencias con la acción de los efectos de compensación.

El autocalentamiento (debido a la energía eléctrica que se transforma en la galga) tiene un resultado similar, ya que induce una diferencia de temperatura entre el material y la galga extensométrica. Esa es precisamente la razón por la que los modernos amplificadores de medición pueden suministrar tensiones de alimentación muy bajas. Igualmente, estos equipos son capaces de amplificar con precisión señales eléctricas pequeñas a la salida del puente. No obstante, hay que tener precaución con los materiales finos y con los que tienen malas propiedades de disipación del calor.

En el caso de deformaciones alternas frecuentes con grandes amplitudes (> 1500 µm/m), puede aparecer fatiga en el material de la rejilla de medición, con el resultado de una deriva del cero.

Por otro lado, existe una sensibilidad transversal de la galga extensométrica, pero no produce desviaciones significativas. En el estado de tensión uniaxial, la sensibilidad transversal ya se tiene en cuenta en la determinación experimental del factor K, debido a la forma en que se define este factor.

Una desviación de la linealidad de hasta 1000 µm/m se considera despreciable en la medida de deformaciones.

La penetración de humedad reduce la resistencia de aislamiento, lo cual produce a su vez una derivación de resistencia en las conexiones de la galga extensométrica que, en general, se refleja en una inestabilidad en la lectura de los valores medidos. Las galgas extensométricas con baja resistencia son menos sensibles a la humedad.

El amplificador de medición

La entrada que recibe el amplificador de medición es el cambio relativo en la resistencia de la galga extensométrica.

Como su valor es muy pequeño (para 1000 µm/m y con un factor K de 2 es de tan solo un 0,2% o 0,24 Ω sobre un fondo de escala de 120 Ω), en el análisis experimental de tensiones se efectúa una adición al puente de Wheatstone (circuito de cuarto de puente) mediante tres resistencias fijas (normalmente en el amplificador de medición). Este artículo no habla de las ventajas de los circuitos de medio puente y puente completo, ni de la forma de utilizarlos para reducir la incertidumbre de medición.

El caso que se estudia es la conexión de una única galga extensométrica en un circuito de cuarto de puente. Normalmente, la correlación entre el desequilibrio del puente y el cambio relativo en la resistencia se describe con la expresión:

En condiciones reales, la correlación exhibe una pequeña falta de linealidad, que se examinará en detalle más adelante.

El amplificador de medición suministra tensión al circuito del puente, amplifica la tensión de salida del puente y genera el valor medido.

No hemos tenido en cuenta —deliberadamente— los errores de medida que pueden deberse a la resistencia de un cable de alimentación muy largo, a campos de interferencias, tensiones termoeléctricas o a la propia electrónica de medición.

Todos estos errores pueden evitarse casi por completo mediante el empleo de tecnologías bien contrastadas (técnicas de varios hilos, circuitos Kreuzer ampliados, apantallamiento, amplificadores de medición TF modernos, etc.).

Continuará...

Próximamente seguiremos tratando esta cuestión, en la tercera parte de nuestra serie de artículos sobre "Precisión de las mediciones en el análisis experimental de tensiones".

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