Medidores de deformación

Si se estira una tira de metal conductor, se volverá más delgada y más larga, ambos cambios resultan en un aumento de la resistencia eléctrica de un extremo a otro. Por el contrario, si una tira de metal conductor se coloca bajo fuerza de compresión (sin pandear), se ensanchará y acortará. Si estas tensiones se mantienen dentro del límite elástico de la tira de metal (de modo que la tira no se deforme permanentemente), la tira se puede utilizar como elemento de medición de la fuerza física, la cantidad de fuerza aplicada que se infiere al medir su resistencia.

¿Qué es una galga extensométrica?

Tal dispositivo se llama galga extensiométrica . Las galgas extensométricas se utilizan con frecuencia en la investigación y el desarrollo de la ingeniería mecánica para medir las tensiones generadas 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 estructura de avión para medir la tensión. La mayoría de las galgas extensométricas son más pequeñas que un sello postal y se ven así:

Los conductores de una galga extensométrica son muy delgados:si están hechos de alambre redondo, 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 galga extensométrica se representa en la ilustración anterior. El nombre de "galga adherida" se le da a las galgas extensométricas que están pegadas a una estructura más grande bajo tensión (llamada espécimen de prueba ). La tarea de unir galgas extensométricas a probetas puede parecer muy simple, pero no lo es. La "medición" es un oficio por derecho propio, absolutamente esencial para obtener mediciones de deformación precisas y estables. También es posible utilizar un cable calibrador sin montar estirado entre dos puntos mecánicos para medir la tensión, pero esta técnica tiene sus limitaciones.

Resistencia a la galga extensiométrica

Las resistencias típicas de las galgas extensométricas oscilan entre 30 Ω y 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 cambios de resistencia mayores 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 la galga extensométrica como un instrumento práctico, debemos medir cambios extremadamente pequeños en la resistencia con alta precisión.

Circuito de medición de puente

Una precisión tan exigente requiere un circuito de medición 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 deformación medida por el grado de desequilibrio , y utiliza un voltímetro de precisión en el centro del puente para proporcionar una medición precisa de ese desequilibrio:

Normalmente, el brazo del reóstato del puente (R ₂ en el diagrama) se establece en un valor igual a la resistencia de la galga extensométrica sin aplicación de fuerza. Los dos brazos de relación del puente (R ₁ y R ₃ ) son iguales entre sí. Por lo tanto, si no se aplica fuerza a la galga extensométrica, el puente estará simétricamente equilibrado y el voltímetro indicará cero voltios, lo que representa una fuerza cero en la galga extensométrica. A medida que el medidor de tensión se comprime o se tensa, 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 cuarto de puente circuito.

Como la distancia entre el medidor de tensión 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 cables

La resistencia de la galga extensométrica (R _gauge ) no es la única resistencia que se mide:las resistencias de los cables R _wire1 y R _wire2 , estando en serie con R _gauge , también contribuyen a la resistencia de la mitad inferior del brazo del reóstato del puente y, en consecuencia, contribuyen a la indicación del voltímetro. Esto, por supuesto, será interpretado falsamente por el medidor como un esfuerzo físico 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 de la galga extensométrica:

Debido a que el tercer cable prácticamente no transporta corriente (debido a la resistencia interna extremadamente alta del voltímetro), su resistencia no caerá ninguna cantidad sustancial de voltaje. Observe cómo la resistencia del cable superior (R _wire1 ) se ha "omitido" ahora que el voltímetro se conecta directamente al terminal superior del medidor de tensión, dejando solo la resistencia del cable inferior (R _wire2 ) para contribuir a cualquier resistencia parásita en serie con el calibre. No es una solución perfecta, por supuesto, ¡pero el doble de buena que el último circuito!

Sin embargo, existe una manera de reducir el error de resistencia del cable mucho más allá del método que se acaba de describir y también ayudar a mitigar otro tipo de error de medición debido a la temperatura.

Cambio de temperatura de resistencia

Una característica desafortunada de las galgas extensométricas es que la resistencia cambia con los cambios de temperatura. Esta es una propiedad común a todos los conductores, unos 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 termómetro tan bien como como indicador de tensión. Si todo lo que queremos hacer es medir la tensión, no es bueno. Sin embargo, podemos trascender este problema mediante el uso de una galga extensométrica "ficticia" en lugar de R ₂ , de modo que ambos Los elementos del brazo del reóstato cambiarán la resistencia en la misma proporción cuando cambia la temperatura, cancelando así los efectos del cambio de temperatura:

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 medidores están unidos a la misma muestra de prueba, pero solo uno se coloca en una posición y orientación para estar expuesto a un esfuerzo físico (el activo indicador). El otro medidor está aislado de todo esfuerzo mecánico y actúa simplemente como un dispositivo de compensación de temperatura (el "maniquí" indicador). Si la temperatura cambia, las resistencias de ambos manómetros cambiarán en el mismo porcentaje y el estado de equilibrio del puente no se verá afectado. Solo una resistencia diferencial (diferencia de resistencia entre las dos galgas extensométricas) 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 ambas galgas extensométricas 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 parásita y sus efectos tienden a cancelarse:

Circuitos de medio puente y cuarto de puente

Aunque ahora hay dos galgas extensométricas en el circuito del puente, solo uno responde a la tensión mecánica y, por lo tanto, todavía nos referiríamos a esta disposición como un cuarto de puente . Sin embargo, si tomáramos la galga extensométrica superior y la posicionáramos de modo que quede expuesta a la fuerza opuesta a la galga inferior (es decir, cuando la galga superior se comprime, la galga inferior se estirará y viceversa), lo haremos tener ambos medidores que responden a la tensión, y el puente responderá mejor a la fuerza aplicada. Esta utilización se conoce como medio puente . Dado que ambas galgas extensométricas 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 mínimo de medición 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, ambas galgas extensométricas tienen la misma resistencia y el circuito del puente está balanceado. Sin embargo, cuando se aplica una fuerza hacia abajo al extremo libre de la muestra, se doblará hacia abajo, estirando el calibre # 1 y comprimiendo el calibre # 2 al mismo tiempo:

Circuitos de puente completo

En aplicaciones donde estos pares complementarios de galgas extensométricas se pueden unir a la muestra de prueba, puede ser ventajoso hacer que los cuatro elementos del puente estén “activos” para una sensibilidad aún mayor. Esto se llama puente completo circuito:

Las configuraciones de medio puente y de puente completo otorgan una mayor sensibilidad sobre el circuito de un cuarto de puente, pero a menudo no es posible unir pares complementarios de galgas extensométricas a la muestra de prueba. Por lo tanto, el circuito de cuarto de puente se utiliza con frecuencia en sistemas de medición de deformaciones.

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 demás no lo son. Los circuitos de cuarto de puente y medio puente proporcionan una señal de salida (desequilibrio) que es solo aproximadamente proporcional a la fuerza aplicada de la galga extensométrica. 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 en la resistencia causado por la fuerza aplicada sea igual para las cuatro galgas extensométricas!).

A diferencia de los puentes de Wheatstone y Kelvin, que proporcionan mediciones en una condición de perfecto equilibrio 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 desbalanceado como este. Por lo tanto, los puentes de galgas extensométricas se clasifican en milivoltios de desequilibrio producido por voltio de excitación, por unidad de medida de fuerza. Un ejemplo típico de un medidor de tensión del tipo utilizado para medir la fuerza en entornos industriales es 15 mV / V a 1000 libras. Es decir, a exactamente 1000 libras de fuerza aplicada (ya sea de compresión o tracción), el puente se desequilibrará en 15 milivoltios por cada voltio de voltaje de excitación. Nuevamente, dicha cifra es precisa si el circuito del puente está completamente activo (cuatro galgas extensométricas activas, una en cada brazo del puente), pero solo es aproximada para arreglos de medio puente y cuarto de puente.

Las galgas extensométricas se pueden comprar como unidades completas, con elementos de galgas extensométricas y resistencias puente en una carcasa, sellados y encapsulados para protección contra los elementos, y equipados con puntos de sujeción mecánicos para su fijación a una máquina o estructura. Este paquete se suele llamar 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.

REVISAR:

• 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 de la galga extensométrica se miden normalmente en un circuito de puente, para permitir una medición precisa de los pequeños cambios de resistencia y para compensar las variaciones de resistencia debidas a la temperatura.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de circuitos de puente de CC