Qué cables de conexión utilizar en ensayos estructurales y medidas de durabilidad con galgas extensométricas eléctricas de lámina

En el mercado podemos encontrar una gran variedad de cables que pueden utilizarse en aplicaciones con galgas extensométricas.

Ahora bien, el éxito de una medida depende de tener el cable de conexión adecuado. Porque los cables no solo transfieren las señales de medida desde el sensor al sistema de adquisición de datos; también deben evitar las interferencias y soportar las tensiones típicas del uso.

Lo ideal es que el cable no tenga ninguna influencia en las medidas de deformación. Pero, en las aplicaciones reales, lo cierto es que pueden afectar a la señal de medida. Por suerte, los efectos de los cables pueden minimizarse hasta niveles aceptables. HBM ofrece un completo catálogo de cables de medida y cables trenzados de pequeño tamaño para un amplio espectro de aplicaciones.  A la hora de seleccionar el cable más adecuado para una aplicación, deben tenerse en cuenta algunos aspectos importantes:

En las aplicaciones con galgas extensométricas, lo más habitual es emplear cables trenzados estañados. Normalmente, se utilizan conductores de cobre (es el estándar más común debido a su buena relación precio/conducción).

En una configuración de cuarto de puente, la señal de medida de deformación es muy sensible:

  • La tensión de alimentación típica de un cuarto de puente de galgas extensométricas es de 2,5 V.
  • La deformación que se aplica a la galga genera una salida de tensión en el puente relativamente pequeña.

En concreto, 0,000125 V para una deformación de 100 µm/m o 0,0025 V para deformaciones de 2000 µm/m. Se puede visualizar en los dos gráficos de más abajo, correspondientes a una aplicación típica de un circuito de cuarto de puente.

Esta señal eléctrica de medida tan débil no debe sufrir interferencias de señales externas. ¡Por eso es tan importante elegir un cable de medida adecuado!

Señal eléctrica de salida del puente correspondiente a una señal de deformación de 100 µm/m. La tensión de excitación del puente (en rojo) es muy pequeña en comparación con la tensión de alimentación (azul).


1. Función de los cables

Conectan el sensor con el amplificador

  • Suministran tensión eléctrica para excitar el circuito de galgas extensométricas
  • Transmiten la señal medida desde el sensor al sistema de adquisición
  • Cumplen una función de protección frente a interferencias externas

2. Interferencias y otros efectos sobre el cable de medición


3. Requisitos de un cable para aplicaciones con galgas extensométricas, de un vistazo

  1. Baja resistencia (general) y baja capacitancia
  2. Buen aislamiento
  3. Buena protección mecánica
  4. Facilidad de manipulación (flexibilidad)
  5. Rango de temperatura de trabajo adecuado y baja influencia de los cambios de temperatura
  6. Facilidad para soldar los hilos
  7. Requisitos de seguridad (ignífugo, etc.)
  8. Resistencia mecánica
  9. Robusto ante diferentes medios (agua, aceites, disolventes, etc.)

4. Requisitos ambientales de los cables y conductores

El revestimiento y el aislamiento de los conductores influyen en el rango de temperatura al que se puede exponer un cable. El diagrama de más abajo muestra el rango de temperatura típico de los cables dependiendo de su revestimiento.

  • Los cables con aislamiento de PVC son adecuados para la mayoría de las aplicaciones y ofrecen una excelente relación precio/prestaciones (hasta 80 °C).
  • Para temperaturas intermedias, los cables de TPE (elastómeros termoplásticos) son una buena elección (hasta 150 °C).
  • Para temperaturas más altas, recomendamos los cables de PFA (hasta 250 °C) o los cables con revestimiento de poliimida (>300 °C).
  • A bajas temperaturas, los cables estándar pueden volverse quebradizos. Esta circunstancia resulta especialmente crítica en los entornos de ensayo dinámicos. En esas situaciones, se recomiendan los cables con cubierta de PTFE, PI o fibra de vidrio.

Se pueden imponer otros muchos requisitos a los cables; por ejemplo, resistencia a diferentes fluidos o propiedades de inflamabilidad. La tabla siguiente ofrece un resumen de los materiales típicos de cubierta/aislamiento y sus respectivos rangos de temperatura:


5. Diámetro del conductor

  • El diámetro del hilo tiene una enorme influencia en la resistencia. La tensión de excitación del puente de galgas extensométricas genera una corriente que calienta el conductor. Cuanto menor es el diámetro del conductor, mayor es el incremento de temperatura en su interior.
  • Para reducir al mínimo los errores en una aplicación con galgas extensométricas, debe utilizarse un conductor con el diámetro más alto posible, que minimice la influencia de la resistencia y los efectos térmicos del cable.
  • En algunas aplicaciones es preciso emplear cables delgados, con el fin de reducir la inercia o el peso, o para acomodar un pequeño radio de curvatura.
  • En general, los cables largos deben tener diámetros de conductor mayores.

En las galgas extensométricas deben utilizarse cables de pequeño diámetro, con el fin de reducir la cantidad de material de soldadura y las tensiones mecánicas parásitas en la galga. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los cables finos afectan a la estabilidad y la sensibilidad del circuito.

  • Puede utilizarse un punto de apoyo para soldar como intersección entre el cable de medida y el cable de conexión a la galga extensométrica. De este modo, se crea una transición entre un cable de pequeño diámetro y otro cable de mayor calibre.

Galga extensométrica conectada con la tecnología de 4 hilos patentada de HBM:

¿Qué es la configuración de 4 hilos patentada de HBM?

Los circuitos de 4 hilos, como el circuito Kreuzer patentado por HBM, son los únicos capaces de compensar diferencias en las resistencias de los cables. En este circuito, una corriente eléctrica conocida atraviesa la resistencia utilizando dos de los hilos. La caída de la tensión en la resistencia RKab1 se corrige (alta impedancia) mediante dos hilos adicionales.

El circuito Kreuzer mide la tensión en la resistencia RKab2 y la suma a la alimentación. La tensión, y por lo tanto la corriente a través de la resistencia complementaria Rerg, son independientes de la resistencia del cable. Los errores de sensibilidad y punto cero derivados de los efectos del cable se compensan electrónicamente.

https://www.hbm.com/es/3458/consejos-y-trucos-como-compensar-correctamente-la-resistencia-de-los-cables-de-senal/​​​​​​​ 

Consejos para pelar cables de galgas extensométricas

1. Eliminar térmicamente 5 mm de aislamiento del hilo que se desea conectar a la galga extensométrica.

La eliminación térmica evita los daños que pueden causar los pelacables mecánicos.

2. Estañar el extremo del hilo con un soldador.

3. Recortar el hilo estañado, de modo que no sobresalga de la lámina portadora después de soldarlo (1-3 mm según la geometría de la galga extensométrica).


6. Número de conductores

1 hilo: conexiones entre galgas extensométricas y puntos de apoyo para soldar

3/4 hilos: para aplicaciones de 1/4 de puente (solo se muestra para 4 hilos) o puentes completos

5 hilos: aplicaciones con medios puentes

6 hilos: aplicaciones con puentes completos


7. Longitud de cable

  • En las medidas con galgas extensométricas, las longitudes de cable varían entre unos pocos centímetros y varios cientos de metros.
  • Utilice cables trenzados y apantallados para minimizar las interferencias electromagnéticas.
  • En general, la longitud debe ser la mínima posible para minimizar las interferencias térmicas y electromagnéticas.
  • En el caso de distancias largas, seleccione diámetros de conductor más gruesos, para reducir la influencia de la resistencia.
  • Si se transmiten señales de alta frecuencia y CC, es recomendable emplear conductores de baja capacitancia.

¿Cuál es la diferencia entre un amplificador de corriente continua y uno de frecuencia portadora?

Amplificador de CC

  • Contiene un generador que proporciona una tensión CC estabilizada para alimentar el circuito del puente.
  • Amplifica señales estáticas y dinámicas hasta altas frecuencias.
  • En la práctica: generalmente máx. 10 kHz; las frecuencias más altas proceden de pulsos de interferencias que no deben afectar a la señal de medida.

Inconvenientes: Se amplifican también las interferencias (causadas por campos eléctricos o magnéticos, o por tensiones termoeléctricas o galvánicas en el circuito de medida).

  • Error en los resultados de medida.
  • Se requiere apantallamiento eléctrico o magnético.
  • Alternativamente, se requiere una corrección matemática de las tensiones termoeléctricas.

Amplificador de frecuencia portadora

  • Contiene un generador que suministra una corriente alterna estabilizada en tensión y frecuencia para alimentar el circuito del puente.
  • La tensión de salida es una tensión de alterna con amplitud proporcional al desequilibrio del puente (modulación de amplitud).
  • La frecuencia se selecciona de modo que solo se amplifique la frecuencia de la tensión de alimentación (se elimina la influencia de las interferencias).
  • Frecuencias portadoras comunes:
    • 225 Hz: medida de procesos estáticos y cuasiestáticos (hasta 9 Hz)
    • 5 kHz: medida de procesos estáticos y cuasiestáticos (hasta to 1 kHz)

Inconvenientes: Ancho de banda limitado.

8. Protección del cable en torno a la galga extensométrica frente a condiciones adversas

  • Unión resistente a la humedad entre el conductor y el revestimiento de protección.  Se requiere una adhesión máxima entre el agente de cobertura, el cable de conexión y la superficie del material.
  • Los cables de fluoropolímero deben grabarse previamente para obtener un sellado adecuado del cable de medida.
  • En aplicaciones sumergidas, se recomienda utilizar cables especiales con cinta de bloqueo de agua (contactar con el equipo de asistencia de HBM).
  • Debe existir una longitud mínima de agente protector en torno al acceso al cable, para maximizar la distancia de fluencia y garantizar la estanqueidad de los puntos críticos.

9. Dinámica de los ensayos

  • En las medidas altamente dinámicas, deben emplearse cables puente (jumper wires). Los cables puente consisten en un gran número de hilos conductores trenzados, con un aislamiento muy flexible.
  • Solo deben utilizarse cables rígidos en objetos estáticos (por ejemplo, interconexiones en un puente).

10. Conclusión

  1. Utilizar el máximo diámetro de cable posible.
  2. Utilizar cable de baja resistencia y baja capacitancia.
  3. Reducir las longitudes de cable al mínimo posible.
  4. Conectar el cable de diámetro más pequeño directamente a la galga extensométrica.
  5. Seleccionar el cable oportuno según las condiciones del ensayo.
  6. Utilizar cables flexibles.
  7. Utilizar cables apantallados.
  8. Conectar correctamente a tierra el apantallamiento.
  9. Colocar la cadena de medida en el interior de una jaula de Faraday.
  10. Realizar un tendido de cable correcto.
  11. Utilizar hilos trenzados.
  12. No colocar cables de suministro de tensión cerca de cables de señal. Los cables de suministro de tensión y de señal deben cruzarse formando un ángulo de 90°.
  13. Eliminar fuentes de ruido.
  14. Utilizar amplificadores de frecuencia portadora.
  15. Utilizar filtros adecuados.
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