Cómo asegurarse de que una determinada fuerza es la misma en todas partes

En la práctica totalidad de los laboratorios que trabajan con sistemas mecánicos encontramos transductores de fuerza. También se instalan en máquinas de ensayos de materiales y en otras máquinas de pruebas, para registrar tanto señales de entrada con fines de control como las señales de fuerza que después se emplean para evaluar los resultados.

Los dos principios de los transductores de fuerza

Los sensores de galgas extensométricas consisten en un cuerpo de deformación sobre el cual se instalan galgas extensométricas. Cuando se les aplica una fuerza se produce una deformación, que las galgas extensométricas convierten en un cambio en la resistencia. Es bastante común utilizar cuatro galgas extensométricas cableadas para formar un circuito de puente. Este puente convierte los cambios en la resistencia en una tensión eléctrica medible. Los sensores de galgas extensométricas necesitan siempre una tensión de alimentación.

La construcción de los sensores piezoeléctricos se basa en cristales que emiten una carga cuando se someten a una fuerza, con una relación lineal entre la carga y la fuerza. Utilizando una electrónica apropiada, la carga se convierte en una señal de tensión.

Casi siempre, los transductores de fuerza se suministran acompañados de un documento que aporta información acerca de la sensibilidad del sensor. Para ello, el sensor se somete a una fuerza conocida en fábrica y se mide la señal de salida correspondiente a esa fuerza efectiva. El resultado de esta “calibración” se anota en el documento correspondiente. Dependiendo de la calidad —y el precio— del sensor, se especifica el valor de salida correspondiente a la fuerza máxima que admite, o varios valores medidos con distintas fuerzas. La calibración es uno de los pasos más importantes en la producción de un sensor y determina de forma muy significativa la utilidad de un transductor de fuerza. Evidentemente, cualquier medida que se haga con posterioridad no puede ser más precisa que la calibración utilizada para determinar los valores característicos del sensor.

Los fabricantes de transductores de fuerza utilizan dispositivos de carga apropiados para generar con precisión esa fuerza y, con ello, generan un requisito previo para estas medidas de calibración. HBM dispone de transductores con fuerzas nominales comprendidas entre 10 N y 5 MN.

The loading devices

Las máquinas de carga tienen requisitos extremadamente estrictos. Las máquinas de HBM, por ejemplo, ofrecen una exactitud de medida de hasta el 0,005%, dependiendo del valor de fuerza concreto. Los datos no se basan en la fuerza máxima que puede generar la máquina, sino en la fuerza efectivamente aplicada, con independencia de la fuerza que desarrolle la máquina. Por tanto, si la exactitud de medida de la máquina es del 0,005%, para una fuerza de 1000 N es aceptable una desviación de 0,05 N. Los dispositivos de carga difieren en función de su principio de funcionamiento.

Las fuerzas pequeñas se generan por medio de pesos

Con frecuencia, para las fuerzas más pequeñas se emplean pesos, puesto que su masa se conoce con exactitud y se pueden aplicar con facilidad a los sensores de fuerza objeto de los ensayos. Estos dispositivos se denominan máquinas de carga directa. El efecto de estas masas depende, por supuesto, de la aceleración de la gravedad en cada ubicación concreta. Igualmente, influye el empuje de las masas en la atmósfera. Esta fuerza de empuje depende de la densidad de las unidades de masa y la presión atmosférica. HBM dispone de una máquina de carga directa con una fuerza de ensayo máxima de 240 kN; el Instituto alemán de metrología (PTB) tiene acceso a una máquina de carga directa capaz de aplicar fuerzas de hasta 2 MN.

La geometría de estas máquinas no debe modificarse bajo ninguna circunstancia cuando se aplica la carga porque, de lo contrario, la fuerza dejaría de aplicarse al sensor de manera uniforme. Como consecuencia, se producirían errores significativos, incluso aunque los cambios no resulten visibles inmediatamente. Las masas están hechas de materiales químicamente muy inertes. No obstante, es preciso garantizar que no sufran cambios como resultado de reacciones con el entorno (por ejemplo, oxidación). Las inspecciones periódicas también verifican que la máquina no se vea negativamente afectada por un mantenimiento incorrecto o una falta de limpieza (formación de polvo sobre las masas).

Medidas de calibración en la máquina de 25 kN de HBM.

Una máquina hidráulica para las fuerzas más grandes

Otros dispositivos de carga generan la fuerza por medios hidráulicos. Resultan muy útiles para producir fuerzas extremadamente altas porque, de lo contrario, sería necesario utilizar masas gigantescas. Entre la muestra de ensayo y la instalación hidráulica se conecta un transductor de fuerza de altísima precisión. Este transductor de fuerza de precisión es la referencia que se emplea para medir la fuerza que se ejerce sobre la muestra de ensayo. Por supuesto, es importante verificar con regularidad que el funcionamiento de este sensor de referencia integrado siga siendo correcto.

El kilogramo original

En último término, todas las máquinas de fuerza toman su referencia del kilogramo original, que se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París (BIPM). Existen varias copias de esta unidad de masa. Lo que hay que entender es que todas las masas están conectadas a un artefacto y que extraer conclusiones sobre una instalación con un peso total de 200 toneladas a partir de una masa de 1 kg es un desafío técnico de primer orden.

¿Cómo podemos estar seguros de que esas máquinas miden correctamente y, por tanto, que las calibraciones son siempre fiables?

Es importante que los resultados de medida sean reproducibles. De hecho, es la única manera de garantizar que un resultado de medida obtenido en una determinada ubicación pueda utilizarse también en otro lugar (dentro de la incertidumbre con la que se haya obtenido ese resultado). Eso exige calibrar los transductores de fuerza siempre de la misma manera, en todas partes. Por otro lado, en cualquier comparación internacional, la fuerza específica debe ser siempre la misma. Todo ello impone un requisito: verificar periódicamente todas las máquinas; es decir, compararlas con un patrón de medida que se presupone exacto.

Los institutos metrológicos nacionales son los responsables de garantizar una determinada fuerza sea la misma en todas partes y constituya un requisito previo. Asimismo, proporcionan una definición de esa fuerza. En Alemania, esta misión la cumple el Instituto Alemán de Metrología (PTB) y, en sus instalaciones, se encuentran los dispositivos de carga de los cuales toman su referencia todas las demás máquinas.

Los institutos se comparan entre sí con otros institutos

Para garantizar que un newton sea siempre un newton en todo el mundo, los institutos también se comparan con otros institutos. Para ello, se podría plantear desmontar los sensores de referencia e instalarlos en las máquinas de carga de precisión de los institutos nacionales; igualmente, las masas también pueden desmontarse para compararlas con los patrones nacionales. Sin embargo, esa no es una buena idea, porque desmontar y volver a instalar tecnología de medición tan sensible tiene una incertidumbre asociada, e incluso transportarla de un lugar a otro tiene un riesgo.

Por eso se recurre a los llamados dispositivos de transferencia. Estos dispositivos son sensores de fuerza diseñados muy específicamente para una repetibilidad de medición máxima, incluso aunque se monten y vuelvan a instalar. Pueden alcanzar una repetibilidad de medición mejor que el 0,002%; en otras palabras: es posible conectar (o referir) dispositivos de carga extraordinariamente precisos a un patrón nacional. De este modo es posible conectar una máquina de carga al patrón nacional mediante mediciones de comparación entre el dispositivo de calibración que se desea ensayar y el patrón de medición nacional, por ejemplo, el del Instituto Alemán de Metrología (PTB) en el caso de Alemania. Por tanto, las comparaciones internacionales de patrones nacionales se llevan a cabo al máximo nivel.

Dispositivos de transferencia de HBM. Dependiendo del tipo, los sensores ofrecen una repetibilidad en posiciones de montaje variables comprendida entre el 0,002% y el 0,05%. Estos dispositivos de transferencia pueden emplearse para conectar fuerzas entre 2,5 N y 5 MN a un patrón.

Los sensores con tecnología de galgas extensométricas cumplen los requisitos más estrictos

Los transductores de fuerza capaces de cumplir estos requisitos tan exigentes utilizan tecnología de galgas extensométricas. Hay dos motivos para ello. Los sensores de galgas extensométricas utilizan un circuito con un puente de Wheatstone. La instalación inteligente de las galgas extensométricas permite compensar en buena medida una serie de efectos parásitos, como los debidos a la temperatura, el momento de flexión o las fuerzas laterales. Por otro lado, los sensores de galgas extensométricas se adaptan a la perfección a las mediciones estáticas típicas de la calibración, ya que no presentan deriva y exhiben una excepcional estabilidad a largo plazo.

Las características de estos sensores se evalúan conforme a la norma internacional ISO 376. De acuerdo con esta norma, la capacidad de los sensores para reproducir mediciones es un criterio de ensayo importante. Igualmente, la norma recoge los límites de fluencia, histéresis y la desviación de los sensores con respecto a su curva característica específica.

Para facilitar la selección, los transductores de fuerza se dividen en clases de precisión, conforme a ISO 376. La clase 00 es la que cumple los requisitos más estrictos. Según la norma, la repetibilidad después del montaje y el desmontaje (“en posiciones de montaje variables”) debe ser, como máximo un 0,05% del valor medido. Por lo tanto, ni siquiera los sensores de clase 00 son adecuados para conectar máquinas de carga de precisión a un patrón de medición nacional.

Los sensores de clase máxima no se fabrican, sino que se encuentran

Es verdad, es así como se obtienen sensores de “clase máxima”. La exactitud que alcanzan estos sensores no se consigue mediante una producción deliberada. Lo que hacen los fabricantes es verificar su producción, para localizar lo mejores ejemplares. Una vez detectados, estos sensores se someten a pruebas exhaustivas, que permiten garantizar sus aptitudes especiales.

A primera vez, quizá pueda parecer que unos requisitos tan estrictos son excesivos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en cada medida de conexión se pierde precisión. Las máquinas de un laboratorio de calibración acreditado están conectadas inicialmente a un patrón de medición nacional. Sobre esas máquinas de carga, se utilizan sensores de transferencia para conectarlas con el siguiente nivel de aparatos. Cada conexión debe llevarse a cabo con la máxima exactitud posible. De lo contrario, sería imposible obtener una exactitud satisfactoria al llegar al último nivel, o sea, a las calibraciones de campo. Existe una tendencia generalizada hacia unos requisitos de exactitud más estrictos en los sensores de fuerza que se utilizan en aplicaciones de producción y pruebas. Esta tendencia, a su vez, impondrá en el futuro requisitos aún más exigentes a la calibración de transductores de fuerza.

Más cosas que le interesa saber sobre la calibración

Jerga técnica

En el lenguaje de la calibración, “conectar” significa “comparar con un patrón de nivel superior”. Así, los dispositivos de calibración de los fabricantes de tecnología de medición están “conectados” al patrón de medición nacional del Instituto Alemán de Metrología (PTB) mediante mediciones de comparación.

Norma y clase de precisión

La norma ISO 376 es la norma internacional aplicable a la calibración de transductores de fuerza de referencia. El sensor objeto de un ensayo se instala y desinstala en la máquina de carga tres veces. Cada vez que se desmonta, se le rota 120 grados en la máquina. Para aplicar las cargas se emplean al menos ocho fuerzas ascendentes, así como fuerzas descendentes en dos de las posiciones de montaje. Los resultados obtenidos con cada fuerza se comparan entre sí, con el fin de calcular la “repetibilidad en posiciones de montaje variables” con arreglo a una fórmula dada. La repetibilidad en una posición de montaje también se define en función de la histéresis (es decir, la diferencia entre una serie de ensayos con fuerza creciente y otra serie con fuerza decreciente, para una misma fuerza), la fluencia (cambio en la señal de salida a lo largo del tiempo para una carga constante) y la desviación relativa de interpolación (desviación de la curva característica real de un sensor con respecto a la curva característica especificada por la fórmula). Adicionalmente, se tiene en cuenta la precisión de la máquina de carga en la que se lleva a cabo la calibración.

Todos estos parámetros se incorporan a un certificado de calibración emitido conforme a la norma ISO 376, que muestra la incertidumbre del sensor para las diferentes fuerzas. De acuerdo con la norma, también indica la clase de precisión obtenida en todas las características. Si el valor de una sola de las características queda por debajo de los límites definidos para una clase, el sensor se asigna a la clase inmediatamente inferior.

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