Un elemento de muelle para toda clase de situaciones Un elemento de muelle para toda clase de situaciones | HBM

La tecnología FlexRange, de alta precisión básica, permite hacer pruebas de par variables en distintos rangos de medida

La medición de par en las aplicaciones de automoción suele tener una problemática especial. En algunas aplicaciones, interesa cubrir varios rangos de medida con un único sensor de par. Este desafío puede abordarse de varias maneras. Por ejemplo, se puede ampliar el rango de medida del sensor de forma eléctrica o mecánica. En el primer caso, la precisión se puede ver afectada por factores que contribuyen a la incertidumbre de medida, como la histéresis, el ruido de la señal y la respuesta de temperatura en el punto cero, que crecen al extender el campo de medida. En el segundo caso, las propiedades mecánicas se deterioran debido a la estructura altamente compleja del cuerpo de medición. HBM ha seguido un enfoque totalmente distinto, para lo cual ha desarrollado su brida medidora de par digital 12HP con FlexRange. Este sensor cubre la totalidad del rango de medida con un solo elemento de muelle y con un nivel de precisión extraordinario.

Los requisitos que se les exigen a los motores y los componentes de automóviles no dejan de aumentar: mayor eficiencia energética, menores consumos e intervalos de mantenimiento más largos. Eso también impone requisitos de precisión más exigentes durante la I+D, que se trasladan a los equipos de ensayo. En muchas aplicaciones de pruebas de la industria del automóvil, las mediciones de par tienen una importancia fundamental. Estas aplicaciones resultan particularmente exigentes cuando el proceso de medición debe cubrir varios rangos de medida de distintos tamaños, como ocurre en las pruebas de motores. En ellas, un sensor de par debe adquirir valores de par grandes y pequeños (dependiendo del ensayo) con una precisión uniforme en todo el rango de medida. El principal desafío consiste en conseguir un equilibrio adecuado entre exactitud de medida y tolerancia de error.

En muchas aplicaciones como, por ejemplo, las pruebas de frenos, se alcanzan picos de par muy elevados en comparación con los pares medios medidos. El rango de medida nominal del sensor se dimensiona de forma apropiada para evitar que sufra cualquier sobrecarga, daño o incluso que resulte destruido por un pico de par. Estos picos de par representan el par máximo de la aplicación. Ahora bien, si ajustamos un sensor al par máximo, es posible que lo estemos sobredimensionando para medir los demás pares que se presentan durante la prueba. Los sensores sobredimensionados tienen un inconveniente: la información de sus hojas de características, necesaria para evaluar los errores, se refiere al rango de medida nominal, no al par medio medido.

Por tanto, la evaluación de errores podría tener consecuencias desfavorables, puesto que varios parámetros importantes que figuran en la hoja de características, como la respuesta de temperatura TC0, la desviación de la linealidad o la histéresis, y también los efectos debidos a cargas parásitas, se refieren en general al rango de medida nominal del sensor.

Dos enfoques para los sensores de doble rango

La solución ideal para registrar varios rangos de medida durante un mismo proceso de ensayo sería una adaptación continua del rango de medida del sensor al par máximo respectivo. Como esto no resulta práctico por razones técnicas, se han desarrollado distintas variantes de sensores de doble rango, capaces de cubrir al mismo tiempo un rango de medida grande y uno pequeño. Estos sensores se basan en dos principios distintos: sensores con dos elementos de muelle y sensores eléctricos de doble rango con un único elemento de muelle continuo y dos canales de medida independientes.

Múltiples elementos de muelle para múltiples rangos de medida

Los sensores de par de doble rango miden dos rangos de par de distinto tamaño. Para ello, disponen de dos elementos de muelle o cuerpos de medida (o de deformación) de distinto tamaño y con diferentes rangos de medida nominales, conectados en serie o en paralelo. Cada uno de estos cuerpos de deformación incorpora un puente de galgas extensométricas especialmente coordinado, conectado a un amplificador de medida. De este modo, es posible determinar su deformación material y, a partir de ella, derivar el par. Los transductores de par de este tipo se consideran transductores de doble rango “genuinos”. El inconveniente de esta variante con dos elementos de muelle conectados en serie es que solo puede utilizarse para medir pares estáticos o cuasiestáticos.

En las aplicaciones dinámicas, la protección contra sobrecargas del elemento de muelle más pequeño produce solapamientos de la señal. Como el elemento de muelle más pequeño también registra los pares —más altos— del elemento de muelle más grande, está equipado con una protección mecánica contra sobrecargas que desacopla los elementos cuando el par es excesivo, transfiriéndolo por entero al sensor más grande. Sin esta protección, existe el peligro de que el elemento más pequeño sufra daños. Sin embargo, si la protección contra sobrecargas entra en acción, el resultado es una señal confusa, que puede conducir a interpretaciones imprecisas más adelante, cuando se evalúan los resultados de medida. Por otro lado, el segundo rango de medida —el más pequeño— suele tener un diseño muy “blando”, con el fin de generar un valor característico lo bastante alto con pares reducidos. Por este motivo, el rango de medida pequeño es muy sensible a las cargas parásitas (por ejemplo, las fuerzas axiales), lo cual resulta en una diafonía desfavorable al par y que puede deteriorar o, en casos extremos, incluso destruir el sensor.

Hay otra variante de sensores de doble rango “genuinos” en la que los elementos de muelle de distintos tamaños se conectan en paralelo. En este caso, no se utiliza protección contra sobrecargas y se evitan las interferencias inherentes al solapamiento de señales. Pero, de nuevo, el elemento de muelle más pequeño debe registrar también pares grandes. Existe entonces el peligro de que se produzca una sobrecarga del elemento de muelle más pequeño, con el resultado de una deformación plástica. Para evitarlo, el elemento de muelle pequeño se diseña de forma que, conjuntamente con el grande, pueda soportar el par máximo. El problema es que la curva característica del segundo puente de galgas extensométricas es demasiado baja. Como resultado, la resolución es insuficiente y se produce un alto nivel de imprecisión, que afecta a la respuesta de temperatura.

Un sensor eléctrico de doble rango para simular un rango de medida pequeño

El sensor de par T12HP difiere de los sensores de doble rango “falsos” que solo tienen un elemento de muelle o cuerpo de deformación y simulan eléctricamente un segundo elemento.

Para ello, estos sensores contienen un amplificador de medida adicional conectado al sensor, ajustado al rango más pequeño. Este segundo amplificador de medida amplifica la señal de salida, normalmente en un factor de 5 o 10. De este modo se dispone de una segunda señal útil, que representa cargas de par más reducidas. Desventaja de este principio: el segundo rango de medida incrementa la  precisión... pero solo en apariencia. Los parámetros cruciales para la incertidumbre de medición se refieren al rango de medida nominal y no a la señal útil amplificada. Puesto que la segunda señal de un sensor de doble rango “falso” se limita a amplificar eléctricamente la señal original, los factores que influyen en ella también se amplifican, con lo que aumenta la incertidumbre de medición (a no ser que la hoja de características especifique explícitamente otros valores para el segundo rango).

Los factores más importantes de este tipo son:

  1. Ruido de la señal
  2. Respuesta de temperatura en el punto cero TC0
  3. Histéresis (error relativo de reversibilidad)
  4. Cargas parásitas

1. Ruido de la señal

Cualquier señal electrónica contiene un ruido de fondo que se incorpora a la medida. Por su propia naturaleza, la señal correspondiente al rango de medida más pequeño de un sensor de doble rango es de peor calidad, ya que el ruido de la señal también se incrementa con la amplificación. Si comparamos el ruido de la señal en el punto cero para el rango de medida grande (1:1) y para el rango de medida pequeño (por ejemplo, 1:5) veremos que la amplificación eléctrica también incrementa el ruido en un factor de 5, aproximadamente. Por consiguiente, las tolerancias de la señal de medida se amplifican igualmente; por ejemplo, las que están asociadas a efectos de temperatura. En el sensor de par T12HP, el ruido de la señal es bajo porque el segundo rango de medida (el más pequeño) no se genera mediante amplificación electrónica. La elevada precisión básica combinada con la alta resolución del sensor —funcionalidad FlexRange— permite cubrir todo el rango de medida. Y, por tanto, el ruido de la señal se mantiene en un nivel reducido aunque la señal sea más débil en el rango bajo.

2. Respuesta de temperatura en el punto cero TC0

La temperatura afecta a la precisión de medida de cualquier sensor. Y, si el sensor de doble rango eléctrico amplifica la señal de medida, también se incrementa la respuesta de temperatura del punto cero TC0. El puente de medida de galgas extensométricas está ajustado al rango de medida nominal, con un factor de intensidad de la señal de 1:1. Una señal amplificada en un factor de 1:5 también incrementa la precisión en un factor de 5, salvo que la hoja de características diga lo contrario. Pero, si la respuesta de temperatura para el rango de medida más grande está especificada en 0,1%/10K, para el segundo rango se obtendrá un valor del 0,5% del fondo de escala/10K. De nuevo, en este caso se debe comprobar si la hoja de características especifica otro valor distinto para la respuesta de temperatura del segundo rango. Si no lo hace, la amplificación de la señal de medida no aporta una mejora proporcional en la precisión. Gracias a la tecnología FlexRange de HBM, el transductor T12HP puede cubrir la totalidad del rango de medida con una sola amplificación. Y, como tiene un valor sumamente bajo, de tan solo 0,005 %/10K, ofrece una muy buena precisión incluso en el rango de par pequeño.

3. Histéresis (error relativo de reversibilidad)

Si se registra la curva característica de la señal de medida incrementando primero el par de forma continua y después reduciéndolo en continuo de forma idéntica, resulta que las señales de salida no coinciden exactamente. En ambos casos se producen desviaciones con respecto a la curva característica. La desviación máxima entre la carga ascendente y la descendente se denomina histéresis, o error relativo de reversibilidad. Depende de las propiedades elásticas del material del elemento de muelle y del diseño del cuerpo de deformación.

La magnitud de la histéresis depende de la tensión y la deformación a la que se someta el cuerpo de deformación y, por tanto, del par máximo. Si, durante una medición de par se cambia al rango de medida pequeño, por ejemplo en una prueba de frenos en la que el freno se abre y se cierra, la histéresis queda “almacenada” en el elemento de muelle, como consecuencia de la elevada carga inicial —o deformación— del elemento de muelle. No obstante, al cambiar el rango de medida, también varía la desviación con respecto a la curva característica, de la distancia grande a la pequeña.

Debido a ello, en el punto en el que se produce el cambio aparece un salto en la curva de señal de medición grabada. Este salto se conoce como punto de discontinuidad o desviación del punto cero. Este error se amplifica de forma similar al factor de ganancia de la señal de medida. Por ejemplo, si el error relativo de reversibilidad para un sensor de doble rango eléctrico es del 0,05% del par nominal para el rango de medida grande (1:1), después de cambiar directamente al rango de medida pequeño (1:5) se puede producir un error de desviación del 0,25% del par nominal. El transductor de par T12HP cubre la totalidad del rango de medida, sin que se produzca ningún salto de rango. De este modo, la tecnología FlexRange proporciona una señal de medida continua y elimina el punto de discontinuidad en la aplicación y en la evaluación de la precisión.

De lo contrario, siempre habría un punto de discontinuidad si, por ejemplo, un sensor de doble rango presenta distintos niveles de precisión (que, además, siempre dependerían de la aplicación o de la interpretación de la precarga y, por tanto, de la histéresis).

4. Cargas parásitas

Prácticamente todas las aplicaciones con cadenas cinemáticas presentan desviaciones axiales, más o menos importantes dependiendo del diseño y el montaje. Por una parte, estas desviaciones se deben a las tolerancias dimensionales de los componentes utilizados y a defectos de alineación; y, por otra parte, a otro tipo de influencias como la temperatura. En la práctica, buena parte de la desviación se puede corregir mediante el uso de acoplamientos con capacidad de compensación. Sin embargo, la diafonía resultante de las cargas parásitas no se puede compensar sin recurrir a medidas adicionales que incidan sobre la tecnología de medición. Con el transductor T12HP, este efecto se reduce al mínimo gracias a la sofisticada geometría de su cuerpo de medición y a la altísima precisión y calidad de aplicación de sus galgas extensométricas. Las cargas parásitas son relativas al punto cero. Cuando en un sensor de doble rango eléctrico se amplifica la señal de medida, el efecto de las cargas se multiplica por el factor de ganancia. Así, este tipo de sensores duales generan grandes errores en el rango de medida pequeño. Un sensor de par con un solo rango, como es el caso del T12HP, permite mantener bajo control las cargas parásitas.

FlexRange functionality GRID

Funcionalidad FlexRange

Durante el desarrollo del transductor T12HP, HBM ha llegado hasta el límite físico de la tecnología de galgas extensométricas. Igualmente, el empleo de tecnología de frecuencia portadora garantiza una calidad de señal óptima. El resultado es un sistema de medida de par con una precisión básica y una estabilidad extremas, y con una resolución muy efectiva del valor medido. Ofrece una combinación única de prestaciones que, haciendo un símil, permiten “ver con una lupa” un rango de medida de interés, con precisión y resolución suficientes.

La funcionalidad FlexRange ha sido posible gracias a una filosofía que combina una precisión, estabilidad y resolución excelentes para cualquier valor medido, con un solo cuerpo de medición y una única ruta de la señal. No se requiere un segundo rango de medida para cumplir los requisitos de precisión y resolución suficientes, ni siquiera en el subrango.

Conclusión

Hay varias formas de medir pares de distinta magnitud empleando dos rangos de medida. Sin embargo, la mayoría de las variantes tienen pérdidas de precisión, en especial en el rango de medida más pequeño. Los sensores de doble rango “genuinos” con múltiples cuerpos de medición no son adecuados para las aplicaciones dinámicas por las protecciones contra sobrecarga que requieren. El diseño de su segundo rango suele ser muy sensible, con el fin de generar una señal útil potente; por este motivo las cargas límite admisibles son proporcionalmente bajas y tienden a aumentar la diafonía con respecto a la señal de par, generando porcentajes de error relativamente mayores.

En los sensores de doble rango eléctricos con un solo cuerpo de medición, la amplificación de la señal de medida también amplifica otros efectos causantes de interferencias, como el ruido de la señal, la histéresis, la respuesta de temperatura en el punto cero TC0 y las cargas parásitas. Salvo que las hojas de características indiquen otra cosa, la amplificación no eleva la precisión de medida del segundo rango. La respuesta de temperatura en el punto cero TC0 y el ruido de la señal se amplifican; cuando se cambia del rango de medida grande al pequeño, puede aparecer un punto de discontinuidad. El principio de funcionamiento de los sensores de doble rango eléctricos también amplifica las cargas parásitas, que dependen de la aplicación.

Todas estas influencias negativas se han minimizado en el sensor de par T12HP con funcionalidad FlexRange. Este transductor combina la flexibilidad de filtrado y escalado de la edición de la señal digital con una precisión y resolución básicas muy altas. Tiene las ventajas que uno espera de un sensor de doble rango, pero ninguno de sus inconvenientes.

Gracias a un cuerpo de medición patentado con muy alta precisión básica y resolución, combinado con tecnología de frecuencia portadora, es posible alcanzar límites de error garantizados de tan un 0,007% o un 0,005%/10K para factores técnicos tales como linealidad, histéresis, efecto de la temperatura en la señal del cero TC0 y otros. El sensor de par T12HP, con su funcionalidad FlexRange, es netamente superior a los sensores de doble rango, en muchos aspectos. Este sensor lleva el potencial de la tecnología de galgas extensométricas hasta sus límites físicos. Esta filosofía, que eleva notablemente la precisión básica del sensor, aporta beneficios tangibles a los usuarios.

El sensor de par T12HP no necesita un segundo amplificador para el subrango. Sus propiedades mecánicas son excelentes y ofrece una precisión muy alta en todo el rango de medida. Con estas características, el transductor de par T12HP resulta idóneo para hacer mediciones de eficiencia de alta precisión y también para mediciones de par altamente dinámicas; por ejemplo, en ensayos de motores en funcionamiento o con remolques, pruebas de frenado aplicando y liberando los frenos, o ensayos de transmisiones y neumáticos.