Introducción de fuerza, sensores de fuerza de compresión

Las prestaciones técnicas y la vida útil de un transductor de fuerza vienen dadas no solo por el transductor en sí, sino también por su diseño y por el diseño de sus elementos de introducción de fuerza. Los elementos estructurales a los que se conecta un transductor de fuerza deben cumplir requisitos técnicos específicos, que se describen en detalle en los manuales de empleo.

Para que los usuarios puedan explotar al máximo la exactitud de medida y la vida útil de los transductores, los elementos de introducción de carga deben cumplir las condiciones siguientes:

  • Es fundamental que los elementos de introducción de fuerza tengan una dureza suficiente (40 HRC), con el fin de minimizar el desgaste.
  • Los elementos de introducción de fuerza deben tener una superficie pulida (Ra=0,8 µm).
  • Los elementos de introducción de carga no se deben deformar significativamente por efecto de la carga.
  • Los elementos de introducción de carga deben aplicar la fuerza al transductor de manera centrada y uniforme.
Thomas Kleckers, HBM
Thomas Kleckers, director de producto responsable de sensores de fuerza en HBM

Botón de introducción de carga convexo

Muchos transductores de fuerza de compresión presentan en la cara superior un botón de introducción de carga en forma de cúpula, que facilita un centrado automático; es decir, una aplicación centrada de la fuerza. Para ello, el punto más alto del elemento de introducción de carga está situado exactamente sobre el centro del transductor.

Transductor de fuerza C10 con elemento de introducción de carga convexo

En este punto se crean tensiones mecánicas muy altas (esfuerzos hertzianos), en especial en los transductores de fuerza indicados para fuerzas muy elevadas. El diseñador del transductor puede influir en este factor seleccionando para el elemento de introducción un radio que favorezca una alta exactitud.

Es esencial tener en cuenta estas tensiones mecánicas a la hora de dimensionar el contracojinete, porque existe un riesgo real de que se deforme. Por este motivo, se ofrecen piezas de aplicación o introducción de fuerza para todos los transductores de fuerza de compresión (y también para algunos que admiten tanto fuerzas de tracción como de compresión). Estas piezas cumplen los requisitos anteriores y evitan que el elemento estructural conectado sufra daños. 

Transductor de fuerza C10 con un elemento de introducción de carga

Prestaciones especiales de los transductores de fuerza con taladro interior y barras de presión

Los transductores de fuerza con un taladro interior y barras de presión, como el C6B de HBM, ofrecen numerosas ventajas:

  • Muy alta rigidez y alta frecuencia fundamental: la combinación perfecta para tareas de medición dinámicas.
  • Un diseño robusto que proporciona inmunidad ante influencias corrosivas, al tiempo que es resistente a las vibraciones y los golpes.
  • Una solución asequible.
  • Disponible para cargas nominales extremadamente altas (hasta 10 MN en el catálogo de HBM).

Y, como este tipo de transductores de fuerza de compresión no tienen elementos de introducción de carga convexos, su conexión mecánica resulta sencilla.

Introducción de fuerza uniforme

Debido a la alta rigidez y a la ausencia de un elemento central de introducción de fuerza, es especialmente importante garantizar un montaje correcto del transductor. Las galgas extensométricas que transforman la fuerza aplicada en una variación de resistencia medible están instaladas en cuatro puntos distintos a lo largo de la circunferencia del transductor. La fuerza debe introducirse de manera uniforme en esa circunferencia, para obtener buenos resultados y lecturas estables de deformación. En estos sensores, los desplazamientos son muy pequeños y no compensan irregularidades o inclinación en la fuerza aplicada.

Diseño compacto o grande

Una manera sencilla de obtener una distribución uniforme de la tensión mecánica consiste en construir sensores lo más grandes que sea posible. Cuanto más grande, más favorable resulta la distribución de la deformación a lo largo de la circunferencia. Sin embargo, los clientes suele pedir exactamente lo contrario: diseños compactos y con poco peso. Este enfoque de fabricar sensores grandes resulta aceptable —y se utiliza— en el caso de los patrones de transferencia de fuerza de alta precisión.

El nuevo transductor de fuerza C6B, con taladro interior, permite utilizar una fuerza restablecedora. Los transductores para fuerzas nominales de 5 MN o superiores no tienen este taladro interior.

HBM ofrece piezas de montaje para el transductor de fuerza de compresión C6B conformes con el requisito indicado más arriba; es decir, piezas que garantizan una distribución uniforme de la tensión mecánica. No obstante, en general los transductores de fuerza compactos con un taladro interior y barras de compresión tienen una tendencia ligeramente mayor a verse afectados por las condiciones de montaje. Para evitar este tipo de problemas, existen elementos de introducción de carga que pueden solicitarse conjuntamente con el transductor C6B. Quizá lo más especial es que el transductor y los elementos de introducción de carga que se van a utilizar en la aplicación se calibran juntos. Los componentes se entregan con un marcaje específico, para garantizar que las mediciones siempre se lleven a cabo con la combinación de componentes calibrada por HBM. Se pueden utilizar rótulas esféricas (ver la figura de más abajo) y botones de carga, con el fin de garantizar una introducción de carga convexa. También se encuentran disponibles piezas de aplicación adaptadas.

C6B con una rótula esférica ZK. Los dos elementos de introducción de carga pueden moverse uno con respecto al otro, para facilitar la compensación angular. Las versiones hasta 2 MN llevan un taladro interior que permite el uso de una fuerza restablecedora. De este modo es posible, por ejemplo, medir la tensión de una amarra o un cable utilizando el C6B como fuerza restablecedora (conversión de una fuerza de tracción en una de compresión).
C6B con botón de carga (botón de introducción de carga convexo) y pieza de aplicación. La imagen muestra el transductor en su fase de desarrollo.
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