"¡La precisión es la cortesía de los reyes!" Hoy en día, este aforismo francés medieval no hace más que adquirir relevancia. Los instrumentos basados en la tecnología de galgas extensométricas se utilizan cada vez más para tareas de medición precisas en la industria y en los hogares.
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¿Qué es la tecnología de galgas extensométricas y para qué sirven las células de carga?
La galga extensométrica (del latín tensus - tensión) es un método y una técnica para medir el estado de tensión-deformación del objeto o estructura medidos. La cuestión es que es imposible medir la tensión mecánica directamente, por lo que la tarea consiste en medir la deformación del objeto y calcular la tensión mediante técnicas especiales que tienen en cuenta las propiedades físicas del material.
Las galgas extensométricas se basan en el efecto de deformación, que es la propiedad de los materiales sólidos de cambiar su resistencia bajo diferentes deformaciones. Las galgas extensométricas son dispositivos que miden la deformación elástica de un cuerpo sólido y la convierten en una señal eléctrica. Este proceso se produce al cambiar la resistencia del conductor del sensor cuando se estira y se comprime. Son un elemento fundamental en los dispositivos de medición de tensiones en sólidos (por ejemplo, piezas de máquinas, construcciones, edificios).
Diseño y principio de funcionamiento
En el corazón de la galga extensométrica se encuentra una galga extensométrica, provista de contactos especiales fijados en la parte delantera de la célula de medición. Durante el proceso de medición, los contactos sensibles del panel tocan el objeto. Esta deformación se mide y se convierte en una señal eléctrica que se transmite a los elementos de procesamiento y visualización del extensómetro.
Dependiendo del área de uso funcional, los sensores difieren tanto en el tipo como en el tipo de valor medido. Un factor importante es la precisión de la medición requerida. Por ejemplo, la célula de carga de una báscula de camión en una panadería no es rival para una báscula electrónica de farmacia, donde cada centésima de gramo es importante.
Veamos con más detalle los tipos y clases de galgas extensométricas modernas.
Sensores de par
Los sensores de par están diseñados para medir el par en piezas giratorias, como el cigüeñal de un motor o la columna de dirección. Los sensores de par pueden determinar tanto el par estático como el dinámico, de forma con contacto o sin contacto (telemétrica).
Células de carga de tipo viga, voladizo y borde
Estos tipos de sensores suelen basarse en un diseño de paralelogramo con un elemento de flexión integrado para lograr una alta sensibilidad y linealidad de la medición. Las galgas extensométricas se fijan a las partes sensibles del elemento elástico del sensor y se conectan en una disposición de puente completo.
Estructuralmente, la galga extensométrica de la viga tiene orificios especiales para la distribución desigual de la carga y la detección de las deformaciones por compresión y por tracción. Para obtener el máximo efecto, las galgas extensométricas se orientan estrictamente a la superficie de la viga en su punto más delgado mediante marcas especiales. Las células de carga de este tipo, muy precisas y fiables, se utilizan para construir sistemas de medición multisensor en básculas de plataforma o de tolva. También se emplean en pesadoras dosificadoras, llenadoras de graneles y líquidos, medidores de tensión de cables y otras células de carga.
Células de carga de tracción y compresión
Las células de carga de tracción y compresión suelen tener forma de S y son de aluminio o acero inoxidable. Diseñado para básculas de tolva y máquinas dosificadoras con un rango de medición de 0,2 a 20 toneladas. Las células de carga de tracción y compresión de tipo S pueden utilizarse en máquinas de producción de cables, tejidos y fibras para controlar la fuerza de tracción de estos materiales.
Galgas extensométricas de alambre y lámina
Cableado Las galgas extensométricas bobinadas se fabrican en forma de bobinas de alambre de pequeño diámetro y se fijan al elemento elástico o a la pieza a ensayar mediante pegamento. Sus características son:
- facilidad de fabricación;
- dependencia lineal de la deformación;
- Dimensiones y precio reducidos.
Las desventajas son la baja sensibilidad, la influencia de la temperatura y la humedad en el error de medición, la posibilidad de aplicación sólo en el campo de la deformación elástica.
Lámina Las galgas extensométricas son actualmente el tipo más común de galgas extensométricas debido a sus altas cualidades metrológicas y a su facilidad de fabricación. Esto es posible gracias a la tecnología fotolitográfica para su fabricación. Una tecnología de vanguardia permite fabricar galgas extensométricas individuales con bases tan pequeñas como 0,3 mm, zócalos especiales para galgas extensométricas y cadenas de galgas extensométricas con un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -240 a +1100 ºС, dependiendo de las propiedades de los materiales utilizados en la red de medición.
Ventajas y desventajas de las células de carga
Las galgas extensométricas son muy utilizadas por sus propiedades:
- La posibilidad de una conexión monolítica entre la galga extensométrica y la pieza en estudio;
- Pequeño espesor del elemento de medición, que permite una gran precisión de las mediciones con un error del 1-3 %;
- fácil montaje, tanto en superficies planas como curvas;
- la capacidad de medir deformaciones dinámicas con una frecuencia de hasta 50.000 Hz;
- la capacidad de medir en condiciones ambientales difíciles en el rango de temperatura de -240 a +1100˚C;
- Posibilidad de medir parámetros simultáneamente en muchos puntos de las piezas;
- posibilidad de medir las deformaciones de objetos situados a grandes distancias de los sistemas de medición de la deformación;
- posibilidad de medir la deformación en piezas móviles (giratorias).
Las desventajas son:
- la influencia de las condiciones meteorológicas (temperatura y humedad) en la sensibilidad de los sensores;
- Los cambios de resistencia insignificantes de los elementos de medición (alrededor del 1%) requieren el uso de amplificadores de señal.
- Cuando las galgas extensométricas se utilizan en entornos de alta temperatura o agresivos, se requieren medidas especiales para su protección.
Esquemas básicos de conexión
Consideremos esto en el ejemplo de la conexión de las galgas extensométricas a las balanzas domésticas o industriales. La célula de carga estándar para balanzas tiene cuatro cables de distinto color: dos entradas son de alimentación (+Ex, -Ex), las otras dos son salidas de medición (+Sig, -Sig). También hay variantes con cinco hilos, en las que un hilo adicional sirve de apantallamiento para todos los demás hilos. El funcionamiento de una célula de carga de tipo viga es bastante sencillo. La energía se aplica a las entradas y la tensión se toma de las salidas. La magnitud de la tensión depende de la carga aplicada en el sensor de medición.
Si la longitud del cable que va de la célula de carga a la unidad ADC es significativa, la resistencia de los propios cables afectará a la lectura de la escala. En este caso es aconsejable añadir un circuito de realimentación, que compense la caída de tensión corrigiendo el error de la resistencia del cable introducido en el circuito de medición. En este caso, el diagrama de cableado tendrá tres pares de cables: alimentación, medición y compensación de pérdidas.
Ejemplos de aplicaciones de las galgas extensométricas
- Un componente en la construcción de escalas.
- Medición de las fuerzas de deformación en el conformado de metales en prensas de forja y trenes de laminación.
- Control de los estados de tensión-deformación de las estructuras y construcciones de edificios durante su montaje y funcionamiento.
- Sensores de alta temperatura de acero aleado resistente al calor para plantas metalúrgicas.
- con elemento elástico de acero inoxidable para mediciones en entornos químicamente agresivos.
- Para la medición de la presión en oleoductos y gasoductos.
La sencillez, la comodidad y la procesabilidad de las células de carga son los principales factores para su posterior aplicación activa, tanto en los procesos metrológicos como en su uso en la vida cotidiana como elementos de medición de los electrodomésticos.
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