9.7: Galgas extensométricas

¿Qué es una galga extensiométrica?

Tal dispositivo se llama galga extensiométrica. Los extensómetros se utilizan frecuentemente en la investigación y desarrollo de ingeniería mecánica para medir las tensiones generadas por la maquinaria. Las pruebas de componentes de la aeronave son un área de aplicación, pequeñas tiras de calibre de deformación pegadas a miembros estructurales, enlaces y cualquier otro componente crítico de un fuselaje 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 extensiométrica son muy delgados: si están hechos de alambre redondo, aproximadamente 1/1000 pulgadas de diámetro. Alternativamente, los conductores de galga extensiométrica pueden ser tiras delgadas de película metálica depositadas sobre un material de sustrato no conductor llamado portador. Esta última forma de galga extensiométrica se representa en la ilustración anterior. El nombre “calibre unido” se le da a las galgas extensométricas que se pegan a una estructura más grande bajo tensión (llamada la muestra de prueba). La tarea de unir galgas extensométricas a probetas puede parecer muy simple, pero no lo es. “Calibración” es una embarcación por derecho propio, absolutamente esencial para obtener mediciones de deformación precisas y estables. También es posible utilizar un alambre de calibre desmontado estirado entre dos puntos mecánicos para medir la tensión, pero esta técnica tiene sus limitaciones.

Resistencia extensiométrica

Las resistencias típicas de la galga extensométrica varían de 30 Ω a 3 kΩ (sin tensión). Esta resistencia puede cambiar solo una fracción de un porcentaje para el rango completo de fuerza del calibre, dadas las limitaciones impuestas por los límites elásticos del material del calibre y de la muestra de prueba. Las fuerzas lo suficientemente grandes como para inducir mayores cambios de resistencia deformarían permanentemente la muestra de prueba y/o los propios conductores del calibre, arruinando así el calibre como dispositivo de medición. Así, para poder utilizar la galga extensométrica como instrumento práctico, debemos medir cambios extremadamente pequeños en la resistencia con alta precisión.

Una precisión tan exigente requiere un circuito de medición de puente.

Circuito de medición de puente

A diferencia del puente de Wheatstone que se muestra en el último capítulo que utiliza un detector de equilibrio nulo y un operador humano para mantener un estado de equilibrio, un circuito de puente extensiométrico 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:

Típicamente, el brazo reóstato del puente (_R2 en el diagrama) se establece en un valor igual a la resistencia de la galga extensiométrica sin aplicar fuerza. Los dos brazos de relación del puente (R ₁ y R ₃) se establecen iguales entre sí. De esta manera, sin aplicar fuerza a la galga extensiométrica, el puente se equilibrará simétricamente y el voltímetro indicará cero voltios, lo que representa una fuerza cero en la galga extensiométrica. A medida que el extensímetro se comprime o se tensa, su resistencia disminuirá o aumentará, respectivamente, desequilibrando así el puente y produciendo una indicación en el voltímetro. Esta disposición, con un solo elemento del puente cambiando la resistencia en respuesta a la variable medida (fuerza mecánica), se conoce como un circuito de cuarto de puente.

Como la distancia entre el extensímetro y las otras tres resistencias en el circuito 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 extensómetro para representar los cables:

Resistencias de Alambre

La resistencia de la galga extensométrica (_calibre R) no es la única resistencia que se mide: las resistencias del cable R _alambre1 y R _alambre2, al estar en serie con _calibre R, también contribuyen a la resistencia de la mitad inferior del brazo del reóstato del puente, y consecuentemente contribuir 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 completamente en esta configuración, se puede minimizar con la adición de un tercer cable, conectando el lado derecho del voltímetro directamente al cable superior del extensímetro:

Debido a que el tercer cable prácticamente no lleva 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 (cable R ₁) ha sido “desviada” ahora que el voltímetro se conecta directamente al terminal superior de la galga extensométrica, dejando solo la resistencia del cable inferior (cable _{R 2}) para contribuir con cualquier resistencia parásita en serie con el calibre. No es una solución perfecta, claro, ¡pero el doble de buena que el último circuito!

Sin embargo, hay 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 Resistencia y Temperatura

Una característica desafortunada de las galgas extensométricas es la del cambio de resistencia con los cambios de temperatura. Esta es una propiedad común a todos los conductores, unos más que otros. Así, 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 igual de bien como lo hace un indicador de tensión. Si lo único que queremos hacer es medir la tensión, esto no es bueno. Podemos trascender este problema, sin embargo, mediante el uso de un extensómetro “ficticio” en lugar de _R2, de manera que ambos elementos del brazo del reóstato cambiarán la resistencia en la misma proporción cuando cambie la temperatura, cancelando así los efectos del cambio de temperatura:

Las resistencias _R1 y _R3 tienen igual 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 calibres están unidos al mismo espécimen de prueba, pero solo uno se coloca en una posición y orientación para quedar expuesto a la deformación física (el medidor activo). El otro medidor está aislado de toda tensión mecánica, y actúa simplemente como un dispositivo de compensación de temperatura (el medidor “ficticio”). Si la temperatura cambia, ambas resistencias de calibre 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 galgas extensométricas) producida por la fuerza física sobre el espécimen 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 extensómetros 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 cancelar:

Circuitos de cuarto de puente y medio puente

A pesar de que 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. No obstante, si tuviéramos que tomar la galga extensométrica superior y colocarla de manera que quede expuesta a la fuerza opuesta a la de la galga inferior (es decir, cuando se comprime la galga superior, la galga inferior se estirará, y viceversa), tendremos ambos calibres respondiendo a la deformación, y el puente será más sensible a la fuerza aplicada. Esta utilización se conoce como medio puente. Dado que ambos 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:

Un ejemplo de cómo un par de galgas extensométricas se pueden unir a una muestra de prueba para producir este efecto se ilustra aquí:

Sin aplicar fuerza a la muestra de prueba, ambos galgas extensométricas tienen igual resistencia y el circuito del puente está equilibrado. Sin embargo, cuando se aplica una fuerza descendente al extremo libre del espécimen, éste se doblará hacia abajo, estirando el calibre #1 y comprimiendo el calibre #2 al mismo tiempo:

Circuitos de puente completo

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

Tanto las configuraciones de medio puente como 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 un cuarto de puente se usa frecuentemente en sistemas de medición de deformación.

Cuando sea posible, la configuración de puente completo es la mejor para usar. Esto es cierto no sólo 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 de extensiómetro aplicada. La linealidad, o proporcionalidad, de estos circuitos puente es mejor cuando la cantidad de cambio de resistencia debido a la fuerza aplicada es muy pequeña en comparación con la resistencia nominal del medidor (es). Sin embargo, con un puente completo, el voltaje de salida es directamente proporcional a la fuerza aplicada, sin aproximación (¡siempre que el cambio de resistencia causado por la fuerza aplicada sea igual para los cuatro galgas extensométricas!).

A diferencia de los puentes Wheatstone y Kelvin, que proporcionan medición en una condición de perfecto equilibrio y por lo tanto funcionan independientemente del voltaje de la fuente, la cantidad de voltaje fuente (o “excitación”) importa en un puente desequilibrado como este. Por lo tanto, los puentes extensiométricos se clasifican en milivoltios de desequilibrio producidos por voltio de excitación, por unidad de medida de fuerza. Un ejemplo típico para una galga extensiométrica del tipo utilizado para medir la fuerza en entornos industriales es de 15 mV/V a 1000 libras. Es decir, a exactamente 1000 libras de fuerza aplicada (ya sea compresiva o de tracción), el puente estará desequilibrado en 15 milivoltios por cada voltio de voltaje de excitación. Nuevamente, tal cifra es precisa si el circuito del puente está completamente activo (cuatro galgas extensométricas activas, una en cada brazo del puente), pero solo aproximada para arreglos de medio puente y cuarto de puente.

Las galgas extensométricas se pueden adquirir como unidades completas, con elementos extensiométricos y resistencias de 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. Un paquete de este tipo se denomina típicamente célula de carga.

Al igual que muchos de los otros temas abordados en este capítulo, los sistemas de galgas extensométricas pueden llegar a ser bastante complejos, y una disertación completa sobre galgas extensométricas estaría más allá del alcance de este libro.

Revisar

• Una galga extensiométrica 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 tensión se miden típicamente en un circuito de puente, para permitir una medición precisa de los pequeños cambios de resistencia y para proporcionar compensación por las variaciones de resistencia debidas a la temperatura.