Serie de artículos: Precisión de las mediciones en el análisis experimental de tensiones. Parte 4

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.

Estimación de la incertidumbre de medida en mediciones referidas al punto cero

Las mediciones en las que el punto cero es importante suelen consistir en medidas a largo plazo en edificios y pruebas de fatiga de componentes. Si, en el curso de una tarea de medición de este tipo, el punto cero cambia, se produce un error de medición adicional. Todas las incertidumbres de medida de las que ya hemos hablado en la última entrega de esta serie se suman a las que discutimos en esta sección.

Dilatación térmica del componente, respuesta de temperatura de la galga extensométrica, radio de curvatura

En adelante se asume que, en condiciones desfavorables, no es posible eliminar el efecto de la temperatura mediante una galga extensométrica adicional de compensación instalada en el circuito del puente.

El material del componente tiene un coeficiente de dilatación térmica determinado. Esta dilatación térmica no se mide, sino que es simplemente el resultado de la temperatura, entendida como una magnitud que ejerce una influencia. Por su parte, la rejilla de medición también tiene un coeficiente de dilatación térmica, así como un coeficiente de temperatura que influye en la resistencia eléctrica. Como en el análisis experimental de tensiones solo tienen interés las deformaciones inducidas por la carga, las galgas extensométricas que se ofrecen ya están adaptadas a la dilatación térmica de materiales concretos. No obstante, todos esos coeficientes de temperatura dependen a su vez de la temperatura; en otras palabras, la compensación nunca es perfecta. Siempre habrá una desviación residual ΔƐ que se puede calcular mediante un polinomio. Los coeficientes de dicho polinomio se determinan de forma específica para cada lote y el fabricante los indica en el embalaje de la galga extensométrica.

Aquí puede verse un ejemplo para una galga extensométrica (HBM tipo LY-6/120).

La temperatura se expresa en °C (aunque sin dimensiones) y la desviación residual (deformación aparente) se determina en μm/m. Para una temperatura de 30 °C, la deformación aparente resultante es de -4,4 μm/m.

Si la temperatura ambiente se aleja más de la temperatura de referencia (20 °C) o si la galga extensométrica no se ajusta de forma correcta, las desviaciones serán mucho mayores. Estas desviaciones son de carácter sistémico y pueden eliminarse por medio de cálculos (durante la propia medición). Por otro lado, la ecuación ya exhibe una incertidumbre que crece a razón de 0,3 μm/m por cada grado Kelvin que la temperatura se desvía de 20 °C. A una temperatura de 30 °C, la incertidumbre del polinomio es de 3 μm/m.

Lo único que se necesita para calcular la corrección es conocer el coeficiente de dilatación térmica del material y la temperatura ambiente.

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Autocalentamiento

Es el aumento de temperatura resultante de la transformación de energía eléctrica en la galga extensométrica. La generación de calor se determina mediante la expresión:

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Para un valor efectivo de tensión de alimentación del puente de 5 V y una resistencia de la galga extensométrica de 120 Ω, el calor resultante es de 52 mW. Una galga extensométrica con una rejilla de medición de 0,6 mm, aplicada con una capa fina de adhesivo sobre un sustrato de acero o aluminio, puede ceder una parte importante de ese calor al objeto de medición. A pesar de ello, se genera una pequeña diferencia de temperatura entre la galga extensométrica y el objeto de medición, que produce una deformación aparente (ver arriba):

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Si la temperatura de la galga extensométrica ajustada es superior a la del material en tan solo un grado Kelvin, se produce una deformación aparente de -11 μm/m (acero ferrítico) o de -23 μm/m (aluminio). La incertidumbre de medida se puede determinar de forma aproximada con un experimento sencillo: conectando la tensión de alimentación sin aplicar carga al componente. Durante la fase de aumento de la temperatura, se produce una ligera deriva de la lectura (deriva del cero). La máxima diferencia entre las lecturas que se registra durante este proceso de compensación térmica equivale aproximadamente a la máxima desviación esperada.

Una solución a este problema es el empleo de tensiones de alimentación más bajas (1 V genera solo 2 mW). En este sentido, también es ventajoso emplear galgas extensométricas con resistencias más altas.

En el caso de componentes con mala conducción del calor (plásticos, etc.) y cuando se utilizan galgas extensométricas muy pequeñas, es indispensable reducir la tensión de alimentación. Siempre se debe tener cuidado cuando se trabaja con cambios rápidos de temperatura. Los efectos de compensación derivados del ajuste de la lámina metálica de la galga extensométrica al material objeto de la prueba son constantes a lo largo del tiempo.

Hinchamiento del adhesivo y del soporte de la rejilla de medición

La principal causa de este hinchamiento es la alta movilidad de las moléculas de agua y las propiedades higroscópicas de los adhesivos y los materiales de soporte. El efecto es una deriva del cero que no resulta claramente discernible (o diferente de las deformaciones del material). Puede llegar a tener valores considerables. Como consecuencia, se mide una deformación donde en realidad no la hay, al menos en el componente que se desea examinar. Esta deformación parásita solo es parcialmente reversible, debido probablemente a la histéresis de los procesos de sorción. Por desgracia, no es posible acercar un “secador de pelo” para expulsar las moléculas de agua. La velocidad de deriva del valor medido depende de la protección del punto de medición y de las condiciones ambientales. La constante de tiempo puede ser del orden de (muchas) horas. Cuando hay alta temperatura y, al mismo tiempo, alta humedad, el efecto es especialmente crítico. Desafortunadamente, no existen ni fórmulas ni cifras concretas.

Resistencia de aislamiento

Los residuos de material fundente también pueden absorber moléculas de agua. En las aplicaciones prácticas, el efecto es una especie de fluctuación en la lectura que, con frecuencia, resulta perceptible en los valores medidos, debido a una corriente o a otra causa. Los técnicos con experiencia saben reconocer esta señal de advertencia. La solución consiste en limpiar meticulosamente todos los puntos de contacto. En algunos casos es posible incluso eliminar ese residuo mediante calor. No obstante, todas estas contramedidas exigen que las partes húmedas no estén selladas bajo la capa protectora del punto de medición, como suele ser el caso (y por muy buenas razones). En la práctica, una vez que el punto de medición está preparado para cubrirlo, resulta útil calentarlo unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente, para después cubrirlo inmediatamente. Con ello se evita la posibilidad de que, más adelante, se forme condensación bajo la protección. Si las resistencias de aislamiento son muy bajas, se producirá una deriva del cero de los valores medidos. En este caso, las resistencias de aislamiento dentro del circuito del puente son sumamente críticas. Un aislamiento defectuoso entre los contactos de las galgas extensométricas es comparable a una derivación de resistencia. No se puede medir directamente pero, por su naturaleza, es del mismo orden que la resistencia de aislamiento. La correlación entre la deformación aparente y la derivación es:

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La ecuación muestra que el efecto es menor cuanto mayor sea la resistencia de las galgas extensométricas. Se han determinado los siguientes errores de medición para galgas extensométricas de 120 Ω (factor k = 2):

En circunstancias “normales”, es posible obtener resistencias de aislamiento superiores a 50 MΩ, con desviaciones de menos de 1,2 μm/m que son despreciables.

Sin embargo, con una resistencia de 500 kΩ y un valor medido de 1000 μm/m, la desviación del cero sería... ¡del -12%! Este valor muestra claramente que una caída significativa de la resistencia de aislamiento puede invalidar el punto de medición. Los transductores de galgas extensométricas tienen resistencias de aislamiento de varios GΩ.

Una situación de alta humedad relativa y alta temperatura (por ejemplo, vapor saturado) resulta crítica porque produce una alta presión de vapor de agua. Las pequeñas moléculas de agua presionan contra la protección del punto de medición, y terminan por atravesarla. Sin una prueba, es imposible predecir si el punto de medición puede tardar unos pocos días o varios años en fallar

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Fatiga

Los signos de fatiga en la rejilla de medición de galgas extensométricas aparecen durante la aplicación de cargas dinámicas al componente, y se manifiestan en forma de una deriva del cero (deformación aparente del material). El efecto es tanto más marcado cuanto mayor es la amplitud de la extensión alternante y mayor es el número de ciclos de carga (Fig. 10).

La instalación y la media aritmética de la deformación también afectan a la deriva del cero. Si la media es negativa, el comportamiento a la fatiga por oscilaciones mejora. Si el valor es positivo, empeora. Las deformaciones alternas con amplitudes de hasta 1000 µm/m prácticamente no producen deriva del cero. Las amplitudes mayores tienen un carácter más crítico. Se puede esperar una deriva del cero de 10 µm/m en los casos siguientes:

1500 μm/m y aprox. 2 millones de ciclos de carga
2000 μm/m y aprox. 100.000 ciclos de carga
2500 μm/m y aprox. 4000 ciclos de carga
3000 μm/m y aprox. 100 ciclos de carga

Por otro lado, la muestra de ensayo también está sujeta a fatiga. Si su resistencia a las cargas alternadas es mayor que la de la lámina de la galga extensométrica, puede ser interesante utilizar galgas extensométricas óptica (rejilla de red de Bragg en fibra).

Fig. 10: Dependencia de la desviación del cero con la amplitud de deformación y el número de ciclos de carga.
Galga extensométrica instalada en hormigón (estructura de soporte sólida).

Resumen de todas las incertidumbres parciales

Mientras que las desviaciones de la sección 3.3 tenían un efecto multiplicativo y se indicaban como un porcentaje del valor medido, las desviaciones de esta sección tienen un efecto aditivo. Se miden en μm/m y son prácticamente independientes del valor medido. Si la desviación relativa se calcula con la ecuación:

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el valor es comparable a los de la sección 3.3.

Si se combinan los valores de más arriba utilizando el teorema de Pitágoras, el resultado es de 16.01 μm/m. Como las incertidumbres de medición no se redondean hacia abajo, la incertidumbre del punto cero sería de 17 μm/m. Para una deformación de 1000 μm/m, la desviación expresada como porcentaje sería del 1,7%, lo cual es bastante razonable. En cambio, en el caso de deformaciones pequeñas, la desviación adquiere un efecto crítico: 17 μm/m sobre 100 μm/m es un 17%.

A continuación, a la incertidumbre del punto cero (1,7% o 17%) habría que añadirle la incertidumbre procedente de la sección 3.3 (3% de la lectura de deformación).

El resultado de la suma pitagórica sería:

4% para un valor medido de 1000 μm/m,
18% para un valor medido de 100 μm/m.

En general, la magnitud medida es la tensión mecánica y se debe hacer una estimación de su incertidumbre. La incertidumbre de la lectura de tensión de la sección 3.3 es del 6%. Si le añadimos la incertidumbre del punto cero (1,7% o 17%) con suma pitagórica, el resultado sería:

7% para una deformación de 1000 μm/m,
19% para una deformación de 100 μm/m.

En las tareas de medición referidas al punto cero se pueden producir grandes errores relativos, sobre todo con deformaciones pequeñas.


Galgas extensométricas instaladas

Galga extensométrica instalada en un raíl
Puntos de medición con galgas extensométricas en la plataforma FINO 1, para uso submarino en el mar del Norte
Galga extensométrica instalada en un material composite (placa de circuito impreso)
Galga extensométrica instalada en una estructura de acero
Galga extensométrica instalada en la cabeza del rotor de un helicóptero

El efecto del instalador

 

Hasta ahora, hemos dado por hecho que la instalación del punto de medición de las galgas extensométricas está siempre bien planificada y correctamente ejecutada. Si es así, solo algunas de las desviaciones indicadas en los ejemplos anteriores superan el intervalo definido. Sin embargo, si la instalación es deficiente, los errores de medición pueden alcanzar valores arbitrariamente grandes. Supongamos, por ejemplo, que se utiliza una galga extensométrica muy larga para tratar de medir la tensión en una ranura, o que las resistencias de contacto con la galga extensométrica fluctúan 0,24 Ω (lo cual equivale a un error de deformación de 1000 μm/m para una galga de 120 Ω).

En las mediciones referidas al punto cero durante periodos de tiempo prolongados, no se debe subestimar la importancia de proteger el punto de medición. Un ejemplo excelente de ello son los 44 puntos de medición con galgas extensométricas de la plataforma de investigación FINO 1, que mide 129 m y trabaja en el mar del Norte (45 km al norte de la isla de Borkum, en Alemania). Las galgas extensométricas se encuentran a profundidades de entre 5 y 25 m bajo las aguas del océano. Su misión consiste en medir las deformaciones en la estructura de soporte de la plataforma, causadas por la maquinaria de hincado de pilotes, por las olas y por el viento. Después de dos años bajo las aguas del mar del Norte, 42 de los puntos de medición siguen estando perfectamente funcionales.

Otra fuente de error es el hecho de que la galga extensométrica solo tenga una conexión interna parcial con la superficie del componente que se desea medir. Los motivos pueden ser variados: mala limpieza o manipulación inadecuada de la superficie de aplicación, o exceso de adhesivo. Estas causas pueden y deben evitarse. Las “prueba del borrador” suele dar pistas sobre esta situación. Aunque puede ser admisible no aplicar protección al punto de medición en el caso de medidas de corta duración (por ejemplo, pruebas de tracción), la instalación de las galgas extensométricas debe realizarse de forma concienzuda y requiere buenas dosis de experiencia previa. Probablemente es el método de medición en el que los conocimientos y la experiencia de la persona que hace las medidas son más decisivos. Por este motivo, las empresas e institutos recurren cada vez más a la posibilidad de certificar a su personal según los distintos niveles de las normas VDI/VDE/GESA 2636.

Imagen y plano de la plataforma de investigación FINO 1 por cortesía de GL Garrad Hassan.

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