Cómo Medir la Tensión y la Presión con Sensores de Galgas Extensométricas

Introducción

Los sensores de tensión y presión se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones de medición, desde estáticas hasta dinámicas. Por ejemplo, se utilizan comúnmente en el interior de sensores de celdas de carga para medir el peso y en ciertos tipos de sensores de acelerómetro. Se utilizan para medir deflexión, vibración, carga, torque, presión, tensión y deformación. En resumen, se emplean para la medición de fuerzas.

La galga extensométrica también se denomina a veces galga extensométrica de resistencia eléctrica o simplemente galga extensométrica de resistencia. Gage también se puede escribir gauge; esto es simplemente una cuestión de convención y no hace ninguna diferencia.

Pero también se utilizan en aplicaciones de medición altamente dinámicas, donde sus resultados fluctúan ampliamente debido a la deformación de un objeto mecánico bajo prueba.

Imagine los paneles de la carrocería de un automóvil que se conduce rápidamente a través de bloques belgas a velocidades muy altas. O estar montado en un eje de transmisión que gira a miles de RPM y estar sujeto a tensión y torsión a medida que la carga en el eje cambia dinámicamente. Hay innumerables aplicaciones para galgas extensiométricas.

Consejo de aprendizaje: consulte el seminario web de Dewesoft sobre la medición de galgas extensométricas con Dave Gallop, gerente de desarrollo comercial en Dewesoft USA.

Los sensores de tensión y presión se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones de medición, desde estáticas hasta dinámicas. Durante el seminario web, tendrá la oportunidad de aprender todo sobre las galgas extensométricas: historia, evolución, fundamentos y aplicaciones.

El sensor de Galgas Extensométricas

Se considera que la propiedad denominada "deformación" es la relación entre el cambio de longitud y la longitud original sin tensión de un objeto.

Los sensores de galgas extensométricas (también conocidos como “transductores de galgas extensométricas”) pueden medir este cambio de longitud causado por una fuerza externa y convertirlo en una señal eléctrica, que luego puede convertirse en valores digitales, mostrarse, capturarse y analizarse. Esto funciona porque un sensor de galgas extensiométricas experimenta un cambio en la resistencia cuando se estira o comprime.

Un medidor de tensión (también conocido como "strain gage") mide la tensión por medio de un cambio en la resistencia. En un medidor de tensión de sensor único, se monta un patrón de lámina metálica sobre un sustrato flexible, que también sirve para aislar el metal del objeto bajo prueba. Una corriente pasa a través del patrón de lámina. Cuando el objeto bajo prueba se somete a tensión (es decir, se dobla o retuerce) en el eje paralelo al patrón de la lámina, hay un cambio en la resistencia que es proporcional a la cantidad de deflexión.

Puente de Wheatstone

Cuando se estira un conductor, aumenta su resistencia. Cuando está comprimido, su resistencia disminuye. Este cambio de resistencia se puede medir con un puente de Wheatstone.

Como se muestra en el diagrama a continuación, un circuito de puente de Wheatstone mide una resistencia eléctrica desconocida (Rx) al equilibrar dos ramales de un circuito de puente, uno de los cuales tiene el valor desconocido. Dado que las otras tres resistencias tienen valores conocidos, y una de ellas también es ajustable, el circuito puede deducir cuál es la resistencia de Rx en cualquier momento.

Cuando se utiliza una de las cuatro resistencias para realizar una medición de un solo eje, esto es lo que se denomina conexión de un cuarto de puente. El acondicionador de señal debe proporcionar los tres sensores faltantes y equilibrar el circuito, deduciendo el valor de resistencia del sensor en tiempo real y convirtiendo esa resistencia en una medición de tensión útil (cuando no pasa corriente por V, el circuito está equilibrado).

El uso de dos sensores, por lo tanto, es un medio puente, y la medición con los cuatro sensores es una configuración de puente completo. En el diagrama de puente completo anterior, el voltaje de salida del sensor se mide en C y B, mientras que el voltaje de excitación se suministra en A y D.

Tipos de Sensores de Galgas Extensométricas

Hay galgas extensiométricas con más de un sensor, que pueden medir la deformación en más de una dirección a la vez. Por lo general, se denominan rosetas de galgas extensométricas y están disponibles en diferentes geometrías para diferentes aplicaciones.

Las rosetas más comunes que se ofrecen son la roseta biaxial, donde dos sensores están montados a 0 ° y 90 ° (perpendiculares entre sí), y la roseta triaxial, donde tres medidores dispuestos en un patrón específico, como 0 ° - 60 ° - 120 ° o 0 ° - 45 ° - 90 °.

El profesor de ingeniería mecánica Jeff Hanson, Ph.D. de Texas Tech University explica las rosetas de galgas extensométricas en este video:

Explicación de la Terminación del Puente

Cuando el acondicionador de señal proporciona las resistencias faltantes necesarias para completar el circuito del puente de Wheatstone, esto se conoce como terminación del puente. Como ejemplo, los acondicionadores de señal de la serie STG de Dewesoft proporcionan esta terminación e incluso le permiten seleccionar entre resistencias de terminación de 120 Ω y 350 Ω.

El control sobre esta finalización se realiza completamente a través del software de adquisición de datos Dewesoft X: no hay interruptores físicos o configuraciones que deban realizarse. En este caso, el acondicionador de señal tiene las resistencias "faltantes" en el hardware y las cambia al lugar correcto en el circuito según su configuración en el software.

Qué es el factor calibración?

Cuando compra un sensor de galgas extensométricas, el paquete generalmente mostrará el factor de calibración o GF (o factor de deformación). Este es un número alrededor de 2. Es importante saber esto al configurar el sensor en el software. Este factor se relaciona con el cambio en la resistencia causado por la tensión sobre la resistencia nativa del sensor, dividida por la propia tensión. Nuevamente, al configurar un sensor usando el software de adquisición de datos Dewesoft X y un acondicionador de señal de la serie Dewesoft STG, el factor de medición se puede escribir directamente en el software, que hará todas las matemáticas necesarias para garantizar mediciones perfectas.

Cambio de resistencia debido a la temperatura - Compensación de temperatura

En este punto, es posible que se esté preguntando acerca de la temperatura y su efecto en la precisión de estas mediciones. Después de todo, cada vez que hablamos de mediciones de resistencia, la temperatura es un factor porque puede cambiar fácilmente la medición y causar lecturas incorrectas. Se sabe que los sensores de galgas extensométricas tienen una sensibilidad a la temperatura, lo que afectará su precisión a menos que se compensen.

Las variaciones de temperatura en el sensor son causadas no solo por la temperatura ambiente (imagina que un sensor está al sol o montado en un motor en funcionamiento, mientras que otro no lo está) sino también por la corriente que alimenta el puente de Wheatstone. Esto también se conoce como fenómeno de autocalentamiento.

Cuanto más lejos tenga que viajar la excitación, mayor deberá ser, lo que resultará en un calentamiento aún mayor del sensor por la propia excitación. Además, la propia resistencia del cable puede convertirse en un factor que afecte a la medición, por ejemplo, en casos de distancias excepcionalmente grandes entre el sensor y el acondicionador de señal.

Debido a estas variables, los acondicionadores de señal Dewesoft STG están diseñados para permitir que las líneas SENSE se conecten a las esquinas del circuito puente. Estas líneas permiten que el acondicionador de señal mida la diferencia entre la excitación en el acondicionador y en el sensor, y ajuste automáticamente el circuito en consecuencia, rechazando el error y asegurando lecturas precisas y estables.

Las líneas punteadas muestran que, si bien es posible conectar las líneas de detección en el conector, es preferible conectarlas en el sensor mismo para obtener el máximo beneficio de esta capacidad.

Derivación interna para calibración de galgas extensométricas

Una derivación es una resistencia que se conecta a través de un tramo del circuito del puente de Wheatstone, desequilibrándolo temporalmente. Este método simula una deformación determinada y, dado que se conoce el valor de la resistencia de derivación (normalmente 59,88 kΩ), proporciona una compensación conocida. La conmutación momentánea de esta resistencia de calibración en derivación a menudo se realiza tanto al principio como al final de una prueba para que los datos medidos puedan referenciarse a ella durante el análisis de datos. Por lo tanto, cualquier cambio de línea de base que pueda haber ocurrido en todo el lapso de una prueba larga puede detectarse y compensarse matemáticamente más adelante.

Los acondicionadores de señal Dewesoft STG proporcionan una resistencia de calibración en derivación interna, lo que elimina la necesidad de conectar una externamente (¡lo que también elimina la necesidad de tocar el cableado!). Además, el software Dewesoft X DAQ le permite activar la calibración de derivación con un clic en la pantalla. La calibración de la derivación se puede realizar en un solo canal o en varios canales a la vez.

La precisión de la resistencia en derivación y, de hecho, de las resistencias dentro de cada sensor o transductor de galgas extensométricas es importante porque afecta la precisión de las lecturas finales. Fabricantes como Dewesoft siguen las mejores prácticas cuando se trata de denotar la precisión de las resistencias, proporcionando una resistencia nominal y especificaciones de tolerancia. La resistencia nominal representa el valor deseado en ohmios, mientras que la tolerancia es la desviación máxima posible del valor nominal medido a 25 ° C.

Mejores Prácticas para Medir con Sensores de Galgas Extensométricas

Se considera una buena práctica utilizar el voltaje de excitación más bajo posible, para evitar el fenómeno de autocalentamiento mencionado anteriormente. Al mismo tiempo, es extremadamente útil tener una selección de niveles de excitación para elegir. Y es importante que las líneas de excitación estén aisladas al igual que las líneas de señal, para garantizar un bajo nivel de ruido y una óptima relación señal / ruido de los datos grabados.

Esto también está garantizado por la electrónica avanzada del convertidor AD de todos los sistemas DAQ Dewesoft en general, y el enfoque de tecnología DualCoreADC® del hardware DAQ SIRIUS en particular. Y dado que reducir la longitud de los cables de señal es especialmente importante cuando se trata de sensores de tensión, la naturaleza modular de todos los sistemas de adquisición de datos de Dewesoft es una sólida ventaja en estas aplicaciones.

Teoría de la Tensión y el Estrés

¿Qué es la Tensión?

Una deformación se define como la cantidad de deformación que experimenta un objeto en comparación con su tamaño y forma originales (la proporción de aumento de longitud en comparación con su longitud original). El término deformación se usa típicamente para describir el alargamiento de una sección. Un objeto puede experimentar tensión como resultado de una fuerza externa que actúa sobre él.

Una deformación es una cantidad adimensional y generalmente se expresa en porcentaje. Las medidas típicas de deformación son inferiores a 2 mm / m para el acero y, a menudo, se expresan en unidades de micro deformación. Una microdeformación es la deformación que produce una parte por millón. La abreviatura de microesfuerzo se da como µΣ.

Qué es Estrés?

El estrés se define como una fuerza aplicada por unidad de área. Por lo general, ocurre como resultado de una fuerza aplicada, pero a menudo se debe a los efectos de la fuerza dentro de un material o dentro de un sistema más grande.

Por ejemplo, imaginemos un cable anclado en la parte superior y colgando. Aplicamos pesos al extremo de este cable para tirar de él hacia abajo, aplicando así una fuerza hacia abajo. Podemos ver eso en la imagen de abajo, donde A es el área de la sección transversal original del cable y L es la longitud original del cable. En este ejemplo, el material (alambre) experimenta una tensión que se denomina tensión axial.

Las unidades son las mismas que con la presión porque la presión es la variación especial de la tensión. El estrés es una cantidad más compleja que la presión porque fluctúa con la dirección y con la superficie sobre la que actúa.

Podemos calcular la tensión (σ) multiplicando la deformación (ε) y el módulo de Young (E).

Ecuación de Fuerza

Por lo tanto

Dado que el módulo elástico (módulo de Young) del acero es 210000 N / mm2 y la sección transversal del sensor es 139 mm2 obtenemos:

Qué es el módulo de Young?

El módulo de Young, también conocido como módulo de tracción o módulo elástico, es una medida de la rigidez de un material elástico y es una cantidad que se utiliza para caracterizar materiales.

Se define como la relación de la tensión (fuerza por unidad de área) a lo largo de un eje sobre la deformación (relación de deformación sobre la longitud inicial) a lo largo de ese eje en el rango de tensión en el que se cumple la ley de Hooke.

Un material cuyo valor de módulo de Young es muy alto es rígido.

El módulo de Young [E] se puede calcular dividiendo el esfuerzo de tracción por la deformación por extensión en la porción elástica (inicial, lineal) de la curva de esfuerzo-deformación:

Dónde:

• E es el módulo de Young (módulo de elasticidad);

• F es la fuerza ejercida sobre un objeto bajo tensión;

• A0 es el área de la sección transversal original a través de la cual se aplica la fuerza;

• ΔL es la cantidad en que cambia la longitud del objeto;

• L0 es la longitud original del objeto.

Según el Sistema Internacional de Unidades, (SI), la unidad del módulo de Young es el Pascal (Pa o N / m2 om − 1 · kg · s − 2). Las unidades prácticas utilizadas son megapascales (MPa o N / mm2) o gigapascales (GPa o kN / mm2).

En las unidades habituales de Estados Unidos, el módulo de Young se expresa en libras por pulgada cuadrada (psi).

Una deformación generalmente se expresa en μm / m (micrómetro por metro), también conocida como microdeformación, que tiene el símbolo µΣ. También puede ver "mV / V", que se refiere a la salida en milivoltios por voltio de excitación. Las galgas extensométricas deben excitarse o activarse con un voltaje de suministro para proporcionar una salida que sea proporcional a la cantidad de deformación que ven a lo largo del eje de medición.

Midiendo el Módulo de Elasticidad

El módulo de elasticidad y el límite elástico son dos propiedades frecuentes del material que se pueden calcular realizando ensayos de tracción con un sistema de ensayo mecánico.

El procedimiento de los sistemas de prueba mecánicos es que el material seleccionado se sujeta entre dos agarres. El agarre inferior se aprieta en la superficie mientras que el agarre superior se mueve hacia arriba a una cierta velocidad de desplazamiento.

El sistema de prueba registra la fuerza necesaria para estirar el material y el adecuado desplazamiento de las empuñaduras. Los ingenieros miden el área de la sección transversal original de una muestra y la longitud original entre las empuñaduras. Después de eso, pueden calcular la tensión a partir de los datos de fuerza y la deformación a partir de los datos de desplazamiento. Luego, todos los datos se utilizan para crear diagramas de tensión-deformación como se muestra en la imagen siguiente.

Cuál es la relación de Poisson (ν)?

La relación de Poisson es la relación negativa de la deformación transversal a la deformación axial (suponiendo que la deformación axial está en la dirección de la carga aplicada). Esta proporción suele estar dada por la letra griega v (también escrita como nu, y pronunciada como la palabra "nuevo"). Puede visualizar este efecto estirando una banda elástica; a medida que separa sus extremos, el ancho de la banda se encoge. La mayoría de los materiales presentan una relación de Poisson de entre 0 y 0,5 ν. Los aceros miden típicamente a 0,3 ν, mientras que el caucho tiene casi 0,5 ν.

Tipos de Estrés

1. Estrés normal

Hay dos tensiones normales: TENSIÓN y COMPRESIÓN. Las tensiones de tracción son positivas, las tensiones de compresión son negativas. Las tensiones normales surgen cuando las fuerzas de tracción o compresión actúan entre sí.

En la siguiente imagen podemos ver una carga de tracción aplicada a un sólido rectangular. La respuesta de un sólido rectangular a las cargas de tracción depende en gran medida de las propiedades de rigidez y resistencia a la tracción de las fibras de refuerzo, ya que estas son mucho más altas que el sistema de resina por sí solo.

La siguiente figura muestra un compuesto bajo una carga de compresión. Aquí, las propiedades adhesivas y de rigidez del sistema de resina son cruciales, ya que la función de la resina es mantener las fibras como columnas rectas y evitar que se doblen.

2. Esfuerzo cortante

La siguiente figura muestra un compuesto que experimenta una carga cortante. Esta carga intenta deslizar capas adyacentes de fibras entre sí. Bajo cargas de cizallamiento, la resina juega un papel importante, transfiriendo las tensiones a través del compuesto. Para que el material compuesto se desempeñe bien bajo cargas de cizallamiento, el elemento de resina no solo debe exhibir buenas propiedades mecánicas, sino que también debe tener una alta adhesión a la fibra de refuerzo. La resistencia al corte interlaminar (ILSS) de un material compuesto se utiliza a menudo para indicar esta propiedad en un material compuesto multicapa ('laminado').

Tipos de Presión

1. Deformación axial

"Deformación axial" se refiere a cómo un objeto se estira o comprime como resultado de la fuerza a lo largo de su eje horizontal. Se define matemáticamente como la tensión axial dividida por el módulo de Young.

2. Deformación por flexión (deformación por momento)

La "deformación por flexión" se refiere a cómo un objeto se estira en un lado y se contrae en el otro debido a la fuerza aplicada a lo largo de su eje vertical. También conocida como "deformación por momento", la deformación por flexión se define matemáticamente como la tensión de flexión dividida por el módulo de elasticidad de Young.

3. Shear Strain

"Shear Strain" combina las medidas de deformación del objeto a lo largo de sus ejes horizontal y lineal. Se define matemáticamente como el esfuerzo cortante dividido por el módulo de esfuerzo cortante.

4. Tensión torsional

"Deformación torsional" se refiere a la fuerza circular a lo largo de los ejes horizontal y vertical del objeto bajo prueba. Se define matemáticamente como la tensión de torsión dividida por el módulo de elasticidad de torsión.

5. Deformación compresiva

La deformación por compresión se produce cuando dos fuerzas iguales y opuestas actúan para comprimir un objeto. Cuando esto sucede, la longitud del objeto disminuye bajo tensión de compresión.

Cuál es la relación entre estrés y tensión?

La forma más sencilla de visualizar la relación entre tensión y deformación mediante una Curva de Tensión-Deformación. Puede ver en el gráfico siguiente que esta curva ofrece algunas propiedades de material muy útiles. Las curvas de tensión-deformación se calculan mediante un experimento.

Una curva de tensión-deformación es típica del acero estructural:

1. Fuerza final

2. Fuerza de producción (punto de fluencia)

3. Ruptura

4. Región de endurecimiento por deformación

5. Región de cuello

6. Estrés aparente (F/A0)

7. Estrés real (F/A)

Acondicionadores de señales de medición de galgas extensométricas Dewesoft

Módulos de medición SIRIUS DAQ Strain Gage

Los sistemas de adquisición de datos SIRIUS ofrecen el mejor rendimiento en acondicionamiento de señales y no comprometen las señales adquiridas. SIRIUS simplemente ofrece el mejor acondicionamiento de señal que puede comprar hoy. La tecnología SIRIUS DualCoreADC® aumenta los convertidores AD delta-sigma duales de 24 bits con un filtro anti-aliasing en cada canal, logrando un asombroso rango dinámico de 160 dB en los dominios de tiempo y frecuencia. Ofrece una frecuencia de muestreo de 200 kS / s / ch por canal y hasta 8 canales por segmento SIRIUS. Este es el buque insignia de la línea de productos Dewesoft, una obra maestra de hardware y software. offer the best performance in signal conditioning and take no compromise on the acquired signals. SIRIUS simply brings the best signal conditioning you can buy today. SIRIUS DualCoreADC® technology boosts dual 24-bit delta-sigma AD converters with an anti-aliasing filter on each channel, achieving an astonishing 160 dB of dynamic range in the time and frequency domains. It offers 200 kS/s/ch sampling rate per channel and up to 8 channels per SIRIUS slice. This is the flagship of the Dewesoft product line - a masterpiece of hardware and software.

Módulos SIRIUS DualCoreADC DAQ para Galgas Extensométricas

Módulos DAQ de alta densidad SIRUS para Galgas Extensométricas

Módulos DAQ de alta velocidad SIRIUS para galgas extensométricas

La tecnología SAR de 1 MHz y 16 bits con filtrado sin alias seleccionable por software es la elección perfecta para la grabación transitoria. Hasta 8 canales por módulo SIRIUS.

Módulos de medición KRYPTON DAQ Strain Gage

La línea de sistemas KRYPTON® DAQ es el sistema de adquisición de datos más resistente y de alto rendimiento disponible en la actualidad. Combinan el poder del software y acondicionamiento de señal Dewesoft con una poderosa interfaz EtherCAT®, empaquetada en carcasas impermeables y de alto impacto.

Características clave:

• Distribuible: puede ubicar su hardware de adquisición de datos cerca de los sensores.

• Cable único con hasta 100 metros (328 pies) entre dispositivos para alimentación, datos y sincronización

• Fabricado para entornos extremos: IP67, a prueba de polvo, impermeable, 100 g resistente a golpes y vibraciones, amplio rango de funcionamiento de temperatura
   

Módulos multicanal KRYPTON DAQ de galgas extensométricas

Módulo KRYPTON DAQ de canal único para galgas extensométricas

IOLITE DAQ y sistema de control

El sistema IOLITE® DAQ de Dewesoft es un sistema de adquisición de datos en tiempo real diseñado específicamente para aplicaciones industriales. Combinan lo mejor de ambos mundos: adquisición y control de datos, de una manera integrada que otros sistemas no pueden igualar.

Características Clave:

• Bus de datos DUAL EtherCAT: IOLITE utiliza dos buses EtherCAT en paralelo. El bus primario se utiliza para la adquisición de datos almacenados en búfer a toda velocidad a una computadora. El bus secundario se utiliza principalmente para datos en tiempo real para cualquier sistema de control de terceros.

• Acondicionamiento de señal sin concesiones: IOLITE cuenta con amplificadores de alta calidad que brindan una excelente calidad de señal y una frecuencia de muestreo de hasta 20 kHz.

• Fuente de alimentación redundante: combinada con interfaces duales EtherCAT®, proporciona la máxima fiabilidad del sistema.

• Elección del chasis: IOLITE se puede configurar en un chasis compatible con gabinete de 19 pulgadas o en un chasis compatible más resistente similar a SIRIUS.

• Relación precio / rendimiento: IOLITE ofrece una excelente relación precio / rendimiento y es adecuado para aplicaciones industriales y de banco de pruebas.