Mediciones con galgas extensométricas: cómo evitar efectos indeseables de la temperatura en los resultados de medida

Este artículo explica los efectos (indeseables) que produce la temperatura sobre los resultados de medida con galgas extensométricas. También ofrece consejos prácticos para minimizar esos efectos o compensarlos por completo. Los puntos más importantes se resumen al final de artículo en forma de una lista de comprobación.

Los cambios de temperatura durante las mediciones con galgas extensométricas tienen con frecuencia efectos indeseables en el resultado. Afortunadamente, existen varias opciones que permiten compensar en gran medida los efectos no deseados de la temperatura: la elección de la galga extensométrica "adecuada" (es decir, la que mejor se adapte a la aplicación), el empleo de un circuito de medio puente de Wheatstone o de puente completo, y diversos métodos de cálculo.

Resumen: Factores dependientes de la temperatura y cómo contrarrestarlos

Magnitud afectada

Posible medida de compensación

Dilatación del material Uso de galgas extensométricas autocompensadas
Resistencia del cable Empleo de técnicas con varios conductores
Coeficiente de temperatura del factor de galga Muy bajo, normalmente se desprecia. Se puede llevar a cabo una compensación de cálculo si se mide de manera simultánea la temperatura.
Influencia de la temperatura en la constante elástica Normalmente se desprecia
 
Los aspectos siguientes también son relevantes y pueden estar relacionados con la temperatura:

Efecto

Posible medida de compensación

Autocalentamiento de la galga extensométrica Respetar la tensión de alimentación máxima
Humedad relativa/clima Protección adecuada del punto de medición
Fluencia del adhesivo Respetar los límites de temperatura del adhesivo utilizado

 

 

Principales factores: dilatación del material y efectos del cable

Hay dos factores de influencia a los que debe prestarse especial atención:

  • Dilatación del material ("deformación aparente")
  • Efectos derivados de la resistencia del cable de medición

¿Qué se puede hacer con la dilatación del material ("deformación aparente")?

Los materiales objeto de la medición se dilatan a medida que aumenta la temperatura. Esta dilatación se describe mediante el coeficiente de expansión del material y su valor depende de cada material concreto. En el caso del acero es de aproximadamente 11 ppm/K, lo que equivale a una dilatación de 11 µm/m para una diferencia térmica de ±1 °C. La dilatación del material, influida por las variaciones de temperatura, da lugar en última instancia a la medición de una deformación "aparente" o, en otras palabras, una deformación en ausencia de carga.

Cambio en el volumen

∆V = α •V0•∆ T

En este caso, la mejor contramedida posible es el uso de galgas extensométricas con compensación automática. El comportamiento de estas galgas extensométricas ante la temperatura está adaptado a materiales específicos y compensa la deformación aparente (y, por tanto, la dilatación del cuerpo objeto de la medición inducida por la temperatura).

¿Cómo se pueden evitar cambios en la resistencia del cable?

Cuando se utiliza un circuito con dos conductores (ver diagrama), la resistencia del cable de medición se suma a la galga extensométrica, afectando a la lectura. La resistencia del cable de medición afecta a la deriva del cero y reduce el factor de galga efectivo; pero, además, depende de la temperatura. En este caso, una contramedida adecuada consiste en utilizar las técnicas con varios conductores que se describen más adelante.

Otros efectos de la temperatura

Además de los dos factores anteriores, que son los más importantes, hay otros efectos dependientes de la temperatura.

No obstante, la suma de todos ellos se puede despreciar o bien resolverse mediante una compensación de cálculo (ver la explicación de la compensación de cálculo más adelante).

Coeficiente de temperatura del factor de galga

El factor de galga es la propiedad más importante de una galga extensométrica. Describe la correlación entre la deformación y el cambio en la resistencia eléctrica. El factor de la galga depende de la temperatura. Los coeficientes de temperatura típicos del factor de galga son del orden del 0,01%/K. Por tanto, su efecto de distorsión del resultado de medida resulta relativamente pequeño en general y, en consecuencia, se desprecia en la mayoría de los casos. No obstante, también se puede llevar a cabo una compensación de cálculo (a partir de una lectura de temperatura).

Dependencia con la temperatura de la constante elástica

La constante elástica es una propiedad natural del material del cuerpo objeto de la medición. Describe la proporcionalidad entre la deformación medida y la tensión mecánica. Ahora bien, la constante elástica depende de la temperatura. El valor típico para el acero es de aproximadamente -0,02%/K. En el análisis experimental de tensiones normalmente se desprecia este efecto de la constante elástica. En los transductores de alta precisión que se pueden calibrar, la compensación se realiza empleando en el puente elementos de níquel que dependen de la temperatura.

Autocalentamiento de la galga extensométrica (tensión de alimentación)

La tensión de alimentación hace que la galga extensométrica se caliente con respecto al cuerpo objeto de la medición. Dicho cuerpo absorbe el calor generado en mayor o menor medida en función de su grado de conductividad térmica. Si el cuerpo objeto de la medición es un mal conductor del calor, puede existir una diferencia de temperatura significativa entre su superficie y la galga extensométrica. Esta diferencia puede interferir en el funcionamiento de las galgas extensométricas con compensación automática. No obstante, si se mantiene la tensión de alimentación máxima, el efecto es tan pequeño que puede despreciarse.

Humedad relativa y clima

Si el punto de medición no está convenientemente protegido, puede producirse una deriva del punto cero en función de la humedad relativa, debida a la absorción de moléculas de agua del adhesivo y el material portador de la galga extensométrica (higroscopia). Como contramedida, se recomienda cubrir cuidadosamente el punto de medición.

Fluencia del adhesivo

A medida que aumenta la temperatura, los adhesivos se ablandan y no son capaces de transferir el 100% de la deformación. El resultado es algo así como un factor de galga descendente. Por este motivo siempre es importante respetar los límites de temperatura de trabajo del adhesivo y elegir un adhesivo adecuado para la aplicación en cuestión.

Medidas de compensación

Uso de galgas extensométricas con compensación automática

Las galgas extensométricas con compensación automática han sido especialmente desarrolladas para compensar el comportamiento térmico de determinados materiales a través de su propio comportamiento térmico. Dicho de otro modo, contrarrestan la deformación aparente (y en consecuencia la dilatación inducida por la temperatura del cuerpo objeto de la medición). Por lo tanto, es preciso seleccionar una galga extensométrica con una respuesta térmica adaptada al material del cuerpo objeto de la medición.

Ajustes de temperatura para materiales de uso común con galgas extensométricas autocompensadas:

Código

Material (ejemplos)

α (·10-6 / °K)

1 Acero ferrítico  10,8
3 Aluminio  23
5 Acero austenítico  16
6 Sílice/composites  0,5
7 Titanio/fundición gris  9,0
8 Plástico  65
9 Molibdeno  5,4

La elección de una galga extensométrica adaptada al material compensa la mayor parte de la deformación aparente. Ahora bien, todavía persiste un error residual (componente no lineal). Este error se determina durante la producción y se incluye en la hoja de características (ver gráfica). Si hacen falta cálculos más exhaustivos —por ejemplo, si las variaciones de temperatura son muy grandes—, puede llevarse a cabo una compensación de cálculo (ver más abajo

Curva de error en una hoja de características típica

Circuito de puente de Wheatstone y circuito de varios conductores

Además del uso de galgas extensométricas con compensación automática, el empleo de circuitos de puente completo o de medio puente, así como el uso de circuitos de tres o cuatro hilos, constituye otro método de compensación importante que resulta especialmente útil para minimizar —o incluso eliminar por completo— el efecto de la resistencia del cable.

El circuito de puente de Wheatstone convierte cambios muy pequeños de la resistencia en tensiones eléctricas medibles. Las cuatro resistencias se pueden sustituir por una galgas extensométrica (circuito de cuarto de puente), dos (medio puente) o cuatro (puente completo).

Dado que cada una de las ramas contribuye con un signo distinto al puente de Wheatstone, existe la posibilidad de aplicar compensaciones. Este efecto de compensación de la temperatura se puede visualizar utilizando como ejemplo la flexión de una viga:

Bajo una carga positiva, el resorte muestra tensión (+) en la parte superior y compresión (-) en la parte inferior. Si se conectan dos galgas extensométricas a un circuito de puente de Wheatstone, se duplicará la señal. Si se produce una deformación en función de la temperatura, esta aparecerá en ambas galgas extensométricas con el mismo signo. En consecuencia, los efectos se anularán entre sí en el circuito del puente de Wheatstone.

El efecto de la resistencia del cable se puede compensar en buena medida de manera selectiva mediante un circuito de tres conductores. Para ello, el hilo de alimentación y un tercer hilo adicional se conectan a distintas ramas del puente de Wheatstone. Dado que los dos cables presentan un comportamiento opuesto como consecuencia de la simetría de la estructura y, en consecuencia se compensan mutuamente, las resistencias de cable se compensan a través del circuito de tres hilos, excepto en el caso de cables asimétricos y con gradientes de temperatura.

De hecho, el circuito de cuatro hilos patentado de HBM es capaz de compensar todos los efectos del cable.

Compensación de cálculo

Se puede llevar a cabo una compensación de cálculo para subsanar errores residuales en las mediciones con galgas extensométricas autocompensadas, errores en galgas extensométricas no ajustadas o con ajustes insuficientes y otros pequeños errores (como la dependencia del factor de galga de la temperatura).

Para ello, es preciso medir la temperatura en paralelo, y corregir la deformación medida empleando un canal de cálculo o en línea. También deben tenerse en cuenta los gradientes de temperatura. Si es preciso, se deben prever varios puntos de medición de la temperatura. Las herramientas de software como catman® de HBM también ofrecen funciones adecuadas para la compensación de cálculo.

Uso de un amplificador de frecuencia portadora

Además del propio sensor, el amplificador también desempeña un papel importante a la hora de considerar las influencias de la temperatura, sobre todo en el caso de las tensiones termoeléctricas.

Como consecuencia del efecto termoeléctrico, cuando se conectan materiales distintos entre sí se produce una tensión eléctrica dependiente de la temperatura. Los termopares explotan este efecto. No obstante, esto también tiene repercusiones sobre los sistemas de medición de galga extensométrica (error del cero dependiente de la temperatura [retorno señal en el cero]).

La tensión termoeléctrica se puede compensar en gran medida mediante el uso de un amplificador de frecuencia portadora. En este caso, existe una tensión de alimentación sinusoidal, de modo que la señal de medición se puede modular en una señal periódica. La desmodulación se lleva a cabo digitalmente una vez que la señal atraviesa un filtro de paso banda. En consecuencia, las tensiones termoeléctricas cuasiestáticas se pueden filtrar de camino al amplificador.

Límites de temperatura de las galgas extensométricas y los adhesivos

El intervalo de temperatura de las galgas extensométricas de lámina está limitado por los materiales empleados. La temperatura máxima es de unos 300 °C o 400 °C. Si es preciso realizar mediciones a temperaturas más altas, deben emplearse galgas extensométricas de alta temperatura que funcionen según diferentes principios.

Los límites de temperatura de las galgas extensométricas de HBM son:

  • Serie Y: 200 °C
  • Serie M: 300 °C
  • Serie C: 250 °C
  • Serie G: 200 °C
  • Galga extensométrica precableada: 150 °C

Naturalmente también debe respetarse el límite de temperatura del adhesivo que se esté utilizando. Si un adhesivo se ablanda a medida que aumenta la temperatura, la deformación no puede transferirse con precisión. Por lo tanto, es preciso respetar los límites de temperatura del adhesivo. Los adhesivos se dividen en productos de curado en frío y de curado en caliente, dependiendo de si el curado se produce a temperatura ambiente o si, por el contrario, se necesita un horno. Los límites de temperatura de los adhesivos que comercializa HBM son:

Curado en caliente:

  • EP310S: 310 °C
  • EP150: 150 °C


Curado en frío:

  • Z70: 120 °C
  • X60: 80 °C
  • X280: 280 °C

Cómo acertar: Aspectos más importantes en relación con la compensación de temperatura en galgas extensométricas

En función del factor de influencia, existen diversas opciones disponibles que minimizan los efectos de la temperatura sobre el resultado de la medición. Esta es la lista de lo que debe hacer para minimizar la influencia de la temperatura:

  • Usar galgas extensométricas autocompensadas.
  • Usar un circuito de puente de Wheatstone con un circuito de tres o cuatro hilos.
  • Usar un amplificador de frecuencia portadora para filtrar las tensiones termoeléctricas.
  • Para la compensación de cálculo: medir la temperatura en paralelo.
  • Respetar los límites de temperatura de las galgas extensométricas y el adhesivo.

Le recomendamos...