Si se estira una tira de metal conductor, se volverá más delgada y más larga, ambos cambios resultarán en un aumento de la resistencia eléctrica de extremo a extremo. Por el contrario, si se coloca una tira de metal conductor bajo fuerza de compresión (sin pandeo), se ampliará y acortará. Si estas tensiones se mantienen dentro del límite elástico de la tira de metal (para que la tira no se deforme permanentemente), la tira se puede usar como un elemento de medición de la fuerza física, la cantidad de fuerza aplicada deducida de la medición de su resistencia.
¿Qué es un medidor de tensión?
Tal dispositivo se llama galga extensométrica . Los medidores de tensión se utilizan con frecuencia en la investigación y el desarrollo de ingeniería mecánica para medir los esfuerzos generados por la maquinaria. La prueba de componentes de aeronaves es un área de aplicación, pequeñas tiras de galgas extensométricas pegadas a miembros estructurales, enlaces y cualquier otro componente crítico de una célula para medir la tensión. La mayoría de los medidores de tensión son más pequeños que un sello de correos, y se ven más o menos así:
Los conductores de un extensómetro son muy delgados: si están hechos de alambre redondo, de aproximadamente 1/1000 de pulgada de diámetro. Alternativamente, los conductores de galgas extensométricas pueden ser tiras delgadas de la película metálica depositada sobre un material de sustrato no conductor llamado portador . La última forma de la galga extensométrica se representa en la ilustración anterior. El nombre de “indicador unido” se le da a los medidores de tensión que están pegados a una estructura más grande bajo tensión (llamada la muestra de prueba ). La tarea de unir galgas extensométricas para analizar muestras puede parecer muy simple, pero no lo es. La “medición” es un oficio por derecho propio, absolutamente esencial para obtener mediciones de tensión precisas y estables. También es posible utilizar un cable de calibre desmontado estirado entre dos puntos mecánicos para medir la tensión, pero esta técnica tiene sus limitaciones.
Resistencia de galgas extensométricas
Las resistencias típicas de galgas extensométricas varían de 30 Ω a 3 kΩ (sin tensión). Esta resistencia puede cambiar solo una fracción de un porcentaje para el rango de fuerza total del medidor, dadas las limitaciones impuestas por los límites elásticos del material del medidor y de la muestra de prueba. Fuerzas lo suficientemente grandes como para inducir mayores cambios de resistencia deformarían permanentemente la muestra de prueba y / o los propios conductores del medidor, arruinando así el medidor como dispositivo de medición. Por lo tanto, para utilizar el medidor de deformación como un instrumento práctico, debemos medir cambios extremadamente pequeños en la resistencia con alta precisión.
Circuito de medición de puentes
Esa exigente precisión exige un circuito de medición de puente. A diferencia del puente de Wheatstone que se muestra en el último capítulo que usa un detector de equilibrio nulo y un operador humano para mantener un estado de equilibrio, un circuito de puente de galgas extensométricas indica la tensión medida por el grado de desequilibrio [19459006 ], y utiliza un voltímetro de precisión en el centro del puente para proporcionar una medición precisa de ese desequilibrio:
Por lo general, el brazo reóstato del puente (R 2 en el diagrama) se establece en un valor igual a la resistencia del extensómetro sin aplicar fuerza. Los dos brazos de relación del puente (R 1 y R 3 ) se establecen iguales entre sí. Por lo tanto, sin aplicar fuerza al medidor de tensión, el puente estará simétricamente equilibrado y el voltímetro indicará cero voltios, lo que representa una fuerza cero en el medidor de tensión. A medida que la galga extensométrica esté comprimida o tensada, su resistencia disminuirá o aumentará, respectivamente, desequilibrando el puente y produciendo una indicación en el voltímetro. Esta disposición, con un solo elemento del puente que cambia la resistencia en respuesta a la variable medida (fuerza mecánica), se conoce como circuito de cuarto de puente .
Como la distancia entre el medidor de deformación y las otras tres resistencias en el circuito del puente puede ser sustancial, la resistencia del cable tiene un impacto significativo en el funcionamiento del circuito. Para ilustrar los efectos de la resistencia del cable, mostraré el mismo diagrama esquemático, pero agregaré dos símbolos de resistencia en serie con el medidor de tensión para representar los cables:
Resistencias de cable
La resistencia del calibrador de deformación (calibre R ) no es la única resistencia que se mide: las resistencias del cable R cable1 y R cable2 , estando en serie con El medidor R también contribuye a la resistencia de la mitad inferior del brazo del reóstato del puente y, en consecuencia, contribuye a la indicación del voltímetro. Esto, por supuesto, será interpretado falsamente por el medidor como tensión física en el medidor.
Si bien este efecto no se puede eliminar por completo en esta configuración, se puede minimizar con la adición de un tercer cable, conectando el lado derecho del voltímetro directamente al cable superior del medidor de tensión:
Debido a que el tercer cable no lleva prácticamente corriente (debido a la resistencia interna extremadamente alta del voltímetro), su resistencia no disminuirá ninguna cantidad sustancial de voltaje. Observe cómo la resistencia del cable superior (R cable1 ) se ha “pasado por alto” ahora que el voltímetro se conecta directamente al terminal superior del calibrador de tensión, dejando solo la resistencia del cable inferior (R cable2 ) para contribuir cualquier resistencia perdida en serie con el medidor. No es una solución perfecta, por supuesto, ¡pero el doble de bueno que el último circuito!
Sin embargo, hay una manera de reducir el error de resistencia del cable más allá del método que se acaba de describir, y también ayuda a mitigar otro tipo de error de medición debido a la temperatura.
Cambio de resistencia en la temperatura
Una característica desafortunada de los medidores de tensión es la del cambio de resistencia con los cambios de temperatura. Esta es una propiedad común a todos los conductores, algunos más que otros. Por lo tanto, nuestro circuito de cuarto de puente como se muestra (ya sea con dos o con tres cables que conectan el medidor al puente) funciona como un termómetro tan bien como lo hace un indicador de tensión. Si todo lo que queremos hacer es medir la tensión, esto no es bueno. Sin embargo, podemos trascender este problema utilizando un medidor de deformación “ficticio” en lugar de R 2 , de modo que ambos elementos del brazo del reóstato cambien la resistencia en la misma proporción cuando cambios de temperatura, cancelando así los efectos del cambio de temperatura:
Las resistencias R 1 y R 3 tienen el mismo valor de resistencia, y las galgas extensométricas son idénticas entre sí. Sin fuerza aplicada, el puente debe estar en una condición perfectamente equilibrada y el voltímetro debe registrar 0 voltios. Ambos indicadores están unidos al mismo espécimen de prueba, pero solo uno se coloca en una posición y orientación para exponerse a una tensión física (el indicador activo ). El otro medidor está aislado de todo esfuerzo mecánico y actúa simplemente como un dispositivo de compensación de temperatura (el medidor “ficticio” ). Si la temperatura cambia, ambas resistencias del indicador cambiarán en el mismo porcentaje, y el estado de equilibrio del puente no se verá afectado. Solo una resistencia diferencial (diferencia de resistencia entre los dos medidores de tensión) producida por la fuerza física sobre la muestra de prueba puede alterar el equilibrio del puente.
La resistencia del cable no afecta la precisión del circuito tanto como antes, porque los cables que conectan ambos medidores de tensión al puente tienen aproximadamente la misma longitud. Por lo tanto, las secciones superior e inferior del brazo del reóstato del puente contienen aproximadamente la misma cantidad de resistencia perdida, y sus efectos tienden a cancelarse:
Circuitos de cuarto puente y medio puente
Aunque ahora hay dos medidores de tensión en el circuito del puente, solo uno responde a la tensión mecánica, por lo que todavía nos referiríamos a esta disposición como un cuarto de puente . Sin embargo, si tuviéramos que tomar la galga extensométrica superior y colocarla de modo que quede expuesta a la fuerza opuesta a la galga inferior (es decir, cuando la galga superior está comprimida, la galga inferior se estirará y viceversa), lo haremos tienen ambos indicadores que responden a la tensión, y el puente responderá mejor a la fuerza aplicada. Esta utilización se conoce como medio puente . Dado que ambos medidores de tensión aumentarán o disminuirán la resistencia en la misma proporción en respuesta a los cambios de temperatura, los efectos del cambio de temperatura permanecen cancelados y el circuito sufrirá un error de medición mínimo inducido por la temperatura:
Aquí se ilustra un ejemplo de cómo un par de galgas extensométricas se pueden unir a una muestra de prueba para producir este efecto:
Sin fuerza aplicada a la muestra de prueba, ambos medidores de tensión tienen la misma resistencia y el circuito del puente está equilibrado. Sin embargo, cuando se aplica una fuerza hacia abajo al extremo libre de la muestra, se doblará hacia abajo, estirando el medidor # 1 y comprimiendo el medidor # 2 al mismo tiempo:
Circuitos de puente completo
En aplicaciones donde tales pares complementarios de galgas extensométricas pueden unirse al espécimen de prueba, puede ser ventajoso hacer que los cuatro elementos del puente estén “activos” para una sensibilidad aún mayor. Esto se denomina circuito de puente completo :
Tanto las configuraciones de medio puente como las de puente completo otorgan una mayor sensibilidad sobre el circuito de cuarto de puente, pero a menudo no es posible unir pares complementarios de galgas extensométricas al espécimen de prueba. Por lo tanto, el circuito de cuarto de puente se usa con frecuencia en sistemas de medición de tensión.
Cuando sea posible, la configuración de puente completo es la mejor para usar. Esto es cierto no solo porque es más sensible que los demás, sino porque es lineal mientras que los otros no lo son. Los circuitos de cuarto y medio puente proporcionan una señal de salida (desequilibrio) que es solo aproximadamente proporcional a la fuerza aplicada del calibrador de tensión. La linealidad, o proporcionalidad, de estos circuitos de puente, es mejor cuando la cantidad de cambio de resistencia debido a la fuerza aplicada es muy pequeña en comparación con la resistencia nominal de los medidores. Sin embargo, con un puente completo, el voltaje de salida es directamente proporcional a una fuerza aplicada, sin aproximación (¡siempre que el cambio de resistencia causado por la fuerza aplicada sea igual para los cuatro medidores de deformación!).
A diferencia de los puentes Wheatstone y Kelvin, que proporcionan mediciones en condiciones de equilibrio perfecto y, por lo tanto, funcionan independientemente del voltaje de la fuente, la cantidad de voltaje de la fuente (o “excitación”) es importante en un puente desequilibrado como este. Por lo tanto, los puentes de galgas extensométricas se clasifican en milivoltios de desequilibrio producido por voltios de excitación, por unidad de medida de fuerza. Un ejemplo típico de una galga extensométrica del tipo utilizado para medir la fuerza en entornos industriales es de 15 mV / V a 1000 libras. Es decir, con exactamente 1000 libras de fuerza aplicada (ya sea de compresión o de tracción), el puente estará desequilibrado en 15 milivoltios por cada voltio del voltaje de excitación. Una vez más, dicha cifra es precisa si el circuito del puente está completamente activo (cuatro galgas extensométricas activas, una en cada brazo del puente), pero solo se aproxima a las disposiciones de medio puente y cuarto de puente.
Las galgas extensométricas se pueden comprar como unidades completas, con elementos de galgas extensométricas y resistencias de puente en una carcasa, selladas y encapsuladas para protección contra los elementos, y equipadas con puntos de fijación mecánicos para su fijación a una máquina o estructura. Tal paquete se llama típicamente una celda de carga .
Como muchos de los otros temas tratados en este capítulo, los sistemas de galgas extensométricas pueden volverse bastante complejos, y una disertación completa sobre galgas extensométricas estaría más allá del alcance de este libro.
REVISIÓN:
- Una galga extensométrica es una tira delgada de metal diseñada para medir la carga mecánica cambiando la resistencia cuando está estresada (estirada o comprimida dentro de su límite elástico).
- Los cambios de resistencia del medidor de deformación se miden típicamente en un circuito puente, para permitir una medición precisa de los pequeños cambios de resistencia y para compensar las variaciones de resistencia debidas a la temperatura.
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