Anillos de medida de fuerza: producción, ensayos y más

Fuerzas elevadas, requisitos estrictos de solidez de los equipos de medida o necesidades de baja altura de construcción y precios asequibles... Hay muchas razones para utilizar anillos de medida de fuerza. Sirven para llevar un control de la fuerza que se aplica en un número prácticamente ilimitado de aplicaciones industriales, como plegado, ensamblaje, prensado o remachado. Y también para monitorizar a largo plazo las conexiones roscadas de aerogeneradores o raíles ferroviarios.

Lógicamente, los anillos de medida de fuerza deben cumplir unos requisitos tan variados como las tareas de medida en las que se emplean:

Bajo umbral de discriminación, para garantizar una sensibilidad excelente que permita medir incluso las fuerzas más débiles.
Construcción robusta pero con dimensiones compactas.
Tamaños compatibles con los diámetros de tornillos, pernos y pasadores más populares.
Medición sin deriva, cuando se utilizan en tareas de monitorización, por ejemplo, de tornillos y pernos.
Error de repetibilidad muy bajo después de la instalación y la calibración.

Incluso para la tecnología más avanzada, es imposible atender todos los requisitos con un único principio de medida. Por ello, se han popularizado anillos de medida de fuerza tanto piezoeléctricos como basados en galgas extensométricas.

Principios físicos

Anillos de medida de fuerza de galgas extensométricas

Los anillos de medida de fuerza de galgas extensométricas consisten en un elemento de resorte con forma anular al que se adhieren galgas extensométricas por medio de un adhesivo. Como ocurre con todos los sensores de galgas extensométricas, la fuerza que actúa deforma el elemento de resorte. Las galgas extensométricas convierten esa deformación en una variación en la resistencia eléctrica. Las galgas extensométricas forman un puente de Wheatstone, de modo que cuando se aplica un voltaje al anillo de medida de fuerza, se produce una tensión eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

A la hora de seleccionar las galgas extensométricas, a los diseñadores de este tipo de sensores les interesa obtener la máxima cobertura angular posible, con el fin de que el anillo tenga una sensibilidad uniforme en toda su superficie. Los instrumentos más modernos, como la serie KMR+ de HBM, cuentan también con un alojamiento hermético soldado. De este modo, los sensores pueden utilizarse a largo plazo e incluso en condiciones difíciles; por ejemplo, en estructuras a la intemperie, en vías ferroviarias o en aerogeneradores. La gran ventaja de la tecnología de galgas extensométricas es que los sensores prácticamente no presentan deriva. Eso constituye una ventaja de valor inestimable en multitud de tareas de monitorización —por ejemplo, seguimiento de conexiones roscadas o de la tensión de cables—, ya que los sensores miden con precisión a lo largo de periodos muy prolongados sin necesidad de ponerlos a cero o reiniciarlos cada cierto tiempo.

Anillos de medida de fuerza piezoeléctricos

Los anillos piezoeléctricos de medida de fuerza consisten en dos placas cristalinas de un material piezoeléctrico, con frecuencia cuarzo (azul en la Fig. 2). Entre las dos placas cristalinas se monta un electrodo (rojo). La otra cara de cada una de las placas cristalinas se conecta al alojamiento del anillo de fuerza (en la figura, en amarillo y verde).

Cuando se aplica una fuerza, estos sensores generan una carga eléctrica (por efecto piezoeléctrico). Un cable coaxial especial la recoge y la envía a un amplificador de carga, que la transforma en una señal de tensión medible. La sensibilidad no varía aunque la superficie del cristal sea más grande o más pequeña, lo cual supone una importante diferencia con respecto a los anillos de galgas extensométricas, cuya sensibilidad depende de la fuerza nominal.

Sensor piezoeléctrico — Fig. 2: Diseño de un sensor piezoeléctrico: Los discos de cristal (azules) convierten la fuerza aplicada en una carga que recoge el electrodo situado entre los sensores.

Si la sensibilidad de los sensores piezoeléctricos es independiente del tamaño del transductor, tampoco depende de la fuerza nominal. En consecuencia, se puede utilizar cualquier sensor para medir incluso fuerzas muy débiles. Eso deja una gran libertad para jugar con otros parámetros, como una alta estabilidad frente a la sobrecarga o los requisitos geométricos. También tienen otras ventajas; por ejemplo, el umbral de discriminación es más bajo, lo que hace posible un rango de medida muy amplio.

Asimismo, la sensibilidad del sensor es idéntica en toda la superficie de aplicación de la carga. Como contrapartida, la conexión eléctrica debe cumplir unos requisitos sumamente estrictos, ya que requiere una resistencia de aislamiento muy alta. Es posible obtener mediciones en el rango de newtons, pero todos los sensores piezoeléctricos presentan deriva. Aunque la deriva de los componentes de HBM es excepcionalmente baja, esta tecnología no puede emplearse en tareas de monitorización a largo plazo.

Las cargas pueden llegar a producir cortocircuitos y es preciso reiniciar la salida eléctrica del sensor y ponerlo a cero. La gran ventaja que tienen es que son capaces de registrar fuerzas muy pequeñas de forma fiable, incluso aunque la fuerza que esté actuando sea muy grande. Un sensor piezoeléctrico puede medir sin problemas una fuerza de 10 N aunque tenga una carga inicial de varios kN, a condición de que se ponga a cero previamente.

¿Qué tecnología debe utilizarse en cada situación?

La tecnología de galgas extensométricas y los sensores piezoeléctricos se complementan entre sí a la perfección. A continuación se enumeran algunas tareas de medición y se indica la tecnología preferida en cada caso:

SITUACIÓN / REQUISITOS	SOLUCIÓN RECOMENDADA
Rango de medida de varios órdenes de magnitud	Sensores piezoeléctricos CFW o CLP
Tareas de monitorización a largo plazo	KMR+
Control de procesos de ensamblaje, prensado y similares	Pueden utilizarse los dos principios de medida
Uso en condiciones extremas, alta humedad	KMR+
Uso sin preesfuerzo (precarga)	KMR+
Situaciones que requieren una estabilidad frente a sobrecargas extremadamente alta	Sensores piezoeléctricos CFW o CLP (seleccionar un sensor más grande)
Medición de fuerzas muy pequeñas después de una carga inicial elevada	Sensores piezoeléctricos CFW o CLP
Mediciones rápidas de fuerza	Pueden utilizarse los dos principios de medida

Consejos y recomendaciones de uso

Desplazamientos pequeños, una condición previa para las mediciones rápidas de fuerza

Todos los anillos de medida de fuerza se caracterizan por unos desplazamientos mínimos. Eso es una ventaja, ya que la rigidez de un sensor de fuerzas puede calcularse dividiendo la fuerza nominal entre el desplazamiento. Por tanto, un desplazamiento pequeño equivale a una alta rigidez lo que, a su vez, significa que la estructura tiene una elevada frecuencia natural. Puesteo que la frecuencia de medición máxima del sensor depende de la frecuencia natural del conjunto del sistema, un desplazamiento reducido significa que los sensores son aptos para mediciones muy rápidas.

Distribución de fuerzas uniforme a lo largo de la superficie del anillo de medida: se requieren superficies de contacto y placas de aplicación de carga adecuadas

Igualmente, un desplazamiento reducido exige someter el sensor a cargas uniformes por toda su superficie, con el fin de evitar sobrecargas en áreas puntuales. Esto es aplicable a ambos tipos de sensores. Por tanto, las superficies en contacto con el sensor deben pulirse para garantizar su uniformidad. También se requiere una dureza 40 HRC.

Los anillos KMR+ de galgas extensométricas cubren un intervalo angular muy amplio. Igualmente, cuentan con placas de aplicación de carga, para que la fuerza se distribuya uniformemente por el anillo de medida, mejorando con ello el comportamiento del sensor. Esta construcción reduce drásticamente los errores de reproducibilidad y la sensibilidad al momento de flexión. Al mismo tiempo, hace que los requisitos de los puntos de contacto de los elementos de conexión no tengan que ser tan estrictos.

Anillos de medida de fuerza piezoeléctricos: el preesfuerzo es absolutamente esencial

En el caso de los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas es vital aplicar un preesfuerzo (o precarga). Para aplicarlo se suele emplear un tornillo. También se requiere una clase de resistencia de 10.9 o 12.9. El preesfuerzo es importante para presionar entre sí los componentes del anillo piezoeléctrico de medida de fuerza (es decir, los cristales, el electrodo y el alojamiento):

Para garantizar una correcta disipación de la carga, cuando los cristales contactan firmemente con el alojamiento y con el electrodo;
Para garantizar el contacto entre los componentes, aunque existan momentos de flexión. Nunca debe producirse un momento de tensión que descargue por completo la tensión en uno de los extremos del anillo piezoeléctrico de medida de fuerza.

flexión máxima de los anillos de medida de fuerza — Fig. 3: Momento de flexión máximo de los anillos de medida de fuerza (de galgas extensométricas y piezoeléctricos). Cuando actúa un momento de flexión (MB) sobre el anillo de medida, la fuerza aplicada aumenta en uno de los lados (3) y se reduce en el otro lado (2). Se puede apreciar el encapsulado hermético del anillo de medida (1) de un anillo de medida de fuerza KMR+.

permissible bending moment of piezoelectric force washers — Fig. 4: Momento de flexión admisible en los sensores piezoeléctricos. El momento máximo de flexión puede producirse cuando la fuerza total es el 50% de la fuerza nominal. El sensor solo debe funcionar dentro de la zona sombreada (verde).

Como puede apreciarse en el diagrama, el momento de flexión admisible por un anillo piezoeléctricos de medida de fuerza depende de la carga. El momento máximo de flexión puede producirse cuando la suma de la precarga y la fuerza que se desea medir es igual exactamente al 50% de la fuerza nominal. Ejemplo: Supongamos que estamos utilizando un anillo de medida CFW/330KN para medir una fuerza de proceso en torno a 95 kN. El preesfuerzo óptimo sería por tanto de 70 kN, ya que la suma 70 kN + 95 KN = 165 kN, que es exactamente la mitad de la fuerza nominal del anillo de medida de fuerza.

Los preesfuerzos producen cambios en la sensibilidad

Si se instala un anillo de medida de fuerza con un preesfuerzo aplicado mediante un tornillo o pasador, el preesfuerzo del tornillo actúa sobre el anillo de medida de fuerza al mismo tiempo que la fuerza que se desea medir, como muestra el diagrama de la derecha. En consecuencia, el anillo de medida estará funcionando por derivación de fuerzas.

Cuando se aplica una fuerza a una construcción de este tipo, se produce una deformación muy pequeña. Esa deformación alivia ligeramente la deformación del tornillo y reduce el preesfuerzo. Por tanto, el punto de medición resulta menos sensible que en el caso de un anillo de medida de fuerza sin preesfuerzo. Si se desea obtener valores cuantitativos, será preciso calibrar el anillo de medida. Por supuesto, es posible obtener medidas cualitativas sin calibración, válidas a efectos de comparación.

Pre-stressing of a measuring ring — Fig. 5: Precarga de un anillo de medida (2) con dos tuercas (1).

Procedimiento de calibración

Calibrar significa comparar con una magnitud conocida. Los anillos de medida de fuerza pueden calibrarse en el punto de instalación, sustituyendo la herramienta por una célula de carga colocada en serie. También existe, por supuesto, la opción de enviar a la fábrica para calibrar los elementos de la máquina con contienen el anillo de medida de fuerza. En este último caso, primero hay que asegurarse de que la construcción puede montarse en una máquina de calibración. Por norma, la opción más sencilla es la de calibrar el sensor en el punto de instalación con ayuda de una célula de carga calibrada.

Si se emplea un sensor con un certificado de calibración DAkkS (entidad nacional de acreditación de Alemania), se puede montar in situ un anillo de medida de fuerza con trazabilidad metrológica, tal y como exigen numerosas normas de calidad.

Diseños especiales

Con frecuencia se necesitan anillos de medida de fuerza con distintos diámetros o con una fuerza nominal diferente para un diámetro dado. Suele ser posible fabricar diseños especiales en lotes pequeños, y suelen constituir una alternativa sensible y con menor consumo de espacio, en comparación con las células de carga convencionales.