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Instrumentación industrial - Medición de tensiones y deformaciones

Extensómetro, strain gage, banda o galga extensométrica

Circuito puente básico de Strain-Gage

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Con el fin de hacer uso del principio de funcionamiento básico de la galga extensométrica de resistencia adherida  (es decir, el cambio en la resistencia proporcional a la  deformación) para medición de fuerza o presión, la entrada de la galga debe estar conectado a un circuito eléctrico capaz de medir pequeños cambios en la resistencia. Debido a que los cambios de resistencia inducidos por la galga son pequeños (típicamente 0,2 por ciento para valor de salida a plena escala en una galga activa), las galgas están conectados a un Puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito diseñado para medir con precisión pequeños cambios. Se lo puede utilizar para determinar lecturas tanto dinámicas como estáticas del extensómetro. El puente de Wheatstone tiene también ciertas propiedades de  compensación.

El puente de Wheatstone detecta pequeños cambios en una variable al comparar su valor con el de una variable similar y midiendo luego la diferencia en magnitud, en lugar de medir la magnitud directamente. Por ejemplo, si cuatro galgas de igual resistencia están conectadas al puente (ver figura) y se aplica un voltaje entre los puntos A y C (entrada), entonces no habrá ninguna diferencia de potencial entre los puntos B y D (salida). Sin embargo, cualquier pequeño cambio en cualquiera de estas resistencias hará que el puente quede desequilibrado, y una aparecerá una tensión en la salida en proporción al desequilibrio.

Figura circuito de puente de Wheatstone de cuatro brazos. Las strain gages se insertan en R1, R2, R3, y R4.

En la configuración más simple del puente de Wheatstone, una rejilla detectora de tensión está conectada como resistencia R1. Para este circuito, la tensión de salida Eo se puede derivar fácilmente. En referencia al circuito mostrado en la figura,  la caída de voltaje a través de R1 se identifica como Vab y dada como

voltios (1)

Del mismo modo, la caída de voltaje a través de R4 se identifica como Vad y está dada como

 

voltios

(2)

El voltaje de salida del puente de E es equivalente a Vbd, que está dado por

 

(3)

Sustituyendo las ecuaciones (1) y (2) en la ecuación (3) y simplificando da

 

 

voltios

(4)

La tensión E irá a cero, y así el puente se considerará como equilibrado cuando

(5)

o

Por lo tanto, la ecuación general de equilibrio del puente y la diferencia de potencial cero entre los puntos B y D es

(6)

Cualquier pequeño cambio en la resistencia de la rejilla de detección sacará de equilibrio al puente y puede ser detectado por un voltímetro.

Cuando el puente esté configurado de modo que la única fuente de desequilibrio sea un cambio de resistencia en la galga (resultante de una tensión mecánica), entonces la tensión de salida se convertirá en una medida de la tensión mecánica. De la ecuación. (4), con un pequeño cambio en R1,

voltios

La mayoría de los circuitos de puentes de Wheatstone se producen con los cuatro brazos actuando como galgas extensiométricas activas.

Tipos de extensómetros de resistencia.

Muchos tipos diferentes de extensómetros de resistencia se han desarrollado desde que el primer extensómetro adherido fuera introducido en 1936. Los extensómetros adheridos se han utilizado ampliamente, pero han habido muchos cambios en la tecnología en el ensamble del mismo, en particular en lo relacionado con su uso como sensores de presión de procesos y transductores. Estas alteraciones incluyen extensómetros semiconductores adheridos y extensometros semiconductores difundidos.

Figura.  Extensómetros patrones que se han utilizado con éxito. (a) Para la medición de la deformación en un diafragma, los elementos 1 y 4 están sometidos a tensiones radiales de compresión, mientras que los elementos 2 y 4 están sometidos a tensiones tangenciales. (b) Galga Rosette que mide tensiones mecánicas en tres direcciones simultáneamente.

Extensómetros de lámina adherida

Una importante atención comercial a las bandas extensométricas se inició a mediados de la década de 1950, momento en que las bandas extensométricas de lámina se comenzaron a producir por un proceso de circuito impreso o mediante estampado a partir de aleaciones seleccionadas que se habían arrollado en una lámina delgada. Los espesores variaron desde 0,0001 hasta 0,002 pulgadas (0,00254 a 0,00508 mm). La lámina por lo general era tratada térmicamente antes de su uso con el fin de optimizar sus propiedades mecánicas y el coeficiente térmico de resistividad. Para una determinada área de sección transversal, una lámina conductora muestra un gran área de superficie. La gran relación de área superficial a sección transversal proporciona estabilidad mecánica superior bajo una tensión prolongada y condiciones de alta temperatura. La gran área de superficie proporciona también una buena transferencia de calor entre la superficie de la rejilla y la muestra a medir y, por lo tanto, altos niveles de tensión de entrada son posibles sin el desarrollo de gradientes severos de temperatura a través de la matriz aislante.

El fotograbado permite la fabricación de rejillas de detección en prácticamente cualquier patrón bidimensional. Una buena práctica es desarrollar un modelo geométrico que proporcione máxima eficiencia eléctrica y mecánica del elemento sensor. Algunas configuraciones comunes que han sido utilizados se muestran en la la figura anterior.

Estensómetros semiconductores adheridos

 La principal diferencia entre los extensómetros de lámina y de semiconductores es la mayor respuesta de los extensómetros semiconductores tanto a la deformación como a la temperatura. La gran característica de resistencia versus deformación de un cristal semiconductor correctamente orientado es debida principalmente al efecto piezoresistivo. El comportamiento del extensómetro puede ser descrito con precisión por

Donde:

  • R0 = resistencia de extensómetro sin tensión a T (cambia a medida que cambia T)
  • ΔR = cambio en la resistencia de galga R0
  • T = temperatura, K
  • T0 = 298 K (24.9ºC)
  • E = tensión mecánica
  • GF, C2 = constantes de galga particular que se trata

El cambio de resistencia debido a la tensión es una parábola para el silicio de alta resistividad tipo p. El material puro de esta resistividad no se utiliza para producir extensómetros debido a esta falta de linealidad severa. Como puede verse en la ecuación, la linealidad se puede mejorar mediante la reducción de la constante de no linealidad C2. La figura siguiente,

FIGURA  Sensibilidad de extensómetro en función del nivel de tensión para semiconductor extensómetro tipo p.

muestra el comportamiento típico de un extensómetro semiconductor p-tipo para un material que se ha dopado de modo que C2 sea baja y la pendiente sea más lineal. La ecuación también muestra que las grandes tensiones de tracción en el filamento de galga y mayores temperaturas aumentan la linealidad del extensómetro. A media que  T se eleva, el valor de ambos términos en el lado derecho de la ecuación disminuye, al igual que la sensibilidad del extensómetro o galga. El coeficiente de no linealidad, sin embargo, disminuye más rápido que el  coeficiente del factor de galga, mejorando así la linealidad.

Los medidores de presión de semiconductor de tipo n, son similares en el comportamiento a los  medidores de tipo p, excepto que el factor de galga es negativo. La alta salida obtenible a partir de elementos semiconductores piezorresistivos los hace particularmente atractivos para transductores que sean de 1/8 pulgadas  (3,2 mm) y más pequeños. Los transductores miniatura se forman añadiendo galgas extensiométricas individuales de silicio a un diafragma o brazo de recolección de fuerza. Cuando el diafragma o brazo deflexionan, las tensiones de superficie son detectadas por los elementos semiconductores. Están disponibles niveles de salida típicos de ~ 100 mV a plena escala para transductores de puente completo con ~ 10 voltios de entrada.

Un medidor de semiconductor típico, a diferencia de un medidor de lámina adherida,  no está provisto de un soporte o trasporte. Por lo tanto, la adhesión de la galga a una superficie requiere un cuidado extremo con el fin de obtener una unión delgada de epoxi. Las mismas resinas epoxi que se utiliza para galgas de lámina se utilizan para galgas de semiconductores.

Extensómetros difundidos de semiconductor.

Un gran avance en la tecnología de los transductores se logró con la introducción de las galgas extensométricas semiconductores difundidas. Las galgas de medición se difunden directamente en la superficie de un diafragma, utilizando técnicas de enmascaramiento fotolitográfico y difusión de estado sólido de un elemento de impureza, tales como el boro. Puesto que la unión no utiliza un adhesivo, no se produce arrastre o histéresis.

El proceso de difusión no se presta para la producción de galgas extensométricas individuales y además requiere que el miembro tensado (diafragma o brazo) este hecho de silicio. Por lo tanto, los semiconductores difundidos se utilizan para la fabricación de transductores (principalmente de presión)  en lugar de análisis de tensiones mecánicas. Típicamente, una lámina de silicio de 2 a 3 pulgadas (5 a 7,5 cm) de diámetro se selecciona como el sustrato principal. A partir de este sustrato, cientos de diafragmas transductores de  0,1 a 0,5 pulgadas (2,5 a 12,7 mm) de diámetro con puentes de Wheatstone completo de cuatro brazos pueden ser producidos. Un diafragma transductor de presión de silicio con una galga semiconductora difundida es mostrada en la figura. Toda la circuitería del puente de Wheatstone se difunde en el diafragma (galgas y áreas de conexión de soldadura de hilos conductores).

Figura. Diafragma representativo de transductor de presión de silicio con circuito puente de Wheatstone difundido. Muchos diafragmas se fabrican a partir de una sola oblea de silicio cristalino. La elementos extensómetros son situados para medir tensiones radiales de compresión y tangenciales de tracción.

Un sensor de silicio difundido no es adecuado para mediciones a alta temperatura porque la resistencia de galga a galga disminuye bruscamente como una función de la temperatura. Dos mecanismos se combinan para producir este efecto. En primer lugar, la aislación del sustrato se consigue con una juntura pn, y su eficacia es sensible al aumento de calor. En segundo lugar, la membrana (esencialmente un aislante) se vuelve cada vez más conductiva a medida que se eleva la temperatura.

El perfeccionamiento en el proceso de difusión de semiconductores han permitido a los fabricantes  producir todo el diafragma transductor de galga, galga, elementos de compensación de temperatura (es decir, termistores) y circuitos amplificadores con tecnología de semiconductores. La introducción transductores a muy alto volumen y muy bajo costo es ahora práctica.

Extensómetros de película delgada.

 

Otro desarrollo reciente de la tecnología de los extensómetros es el proceso de película delgada. Esta técnica controla las principales propiedades del extensómetro  de forma independiente (es decir, extensómetro y aislamiento eléctrico). Utiliza las ventajas inherentes a las bandas extensométricas de metal (de efectos de baja temperatura y altos factores de extensómetro) y las ventajas de proceso disponibles con la técnica de difusión de semiconductores (sin unión adhesiva). El extensómetro de película delgada es potencialmente capaz de producir un sistema extensómetro ideal.

Un extensómetro de película delgada se produce por deposición de una capa delgada de aleación de metal sobre una muestra  de metal por medio de deposición al vacío o pulverización catódica. Esta técnica produce una galga que está molecularmente adherida a la muestra, por lo que las desventajas de la unión adhesiva epoxi son eliminadas. Al igual que el proceso de difusión de semiconductor, la técnica de capa delgada se utiliza casi exclusivamente para aplicaciones de transductor.

Para producir transductores extensómetros de película delgada, primero un aislamiento eléctrico (tal como una cerámica) es depositado sobre el elemento de metal tensado (diafragma o brazo). A continuación, la aleación del extensómetro se deposita en la parte superior de la capa del aislamiento. Ambas capas pueden depositarse tanto por deposición al vacío como por bombardeo iónico.

En la deposición al vacío, el material a ser depositado se calienta en el vacío y éste emite vapor. El vapor se deposita sobre el diafragma del transductor en un patrón determinado por las máscaras del sustrato.

La técnica de pulverización catódica también emplea una cámara de vacío. Con este método, el extensómetro o material aislante se mantiene a un potencial negativo y el objetivo ( diafragma transductor o brazo) se mantiene a un potencial positivo. Las moléculas de la galga o material aislante son expulsadas desde el electrodo negativo por el impacto de los iones positivos de gas (argón) que bombardean la superficie. Las moléculas expulsadas son aceleradas hacia el diafragma transductor o brazo y golpean el área objetivo con energía cinética de varios órdenes de magnitud mayor que con cualquier otro método de deposición posible. Esto produce adherencia superiores a la muestra.

Con el fin de obtener una sensibilidad máxima del puente (salida en milivoltios) para minimizar los efectos de calentamiento, y obtener estabilidad, las cuatro galgas extensométricas, el cableado entre las galgas, y los componentes de compensación de equilibrio y temperatura son todos íntegramente formados durante el proceso de deposición. Esto asegura la misma composición y espesor del conjunto.

El transductor extensómetro de película delgada tiene muchas ventajas sobre otros tipos de transductores extensómetros.  La ventaja principal es la estabilidad a largo plazo. El circuito extensómetro de película delgada está molecularmente unido a la muestra, y no se utilizan adhesivos orgánicos que podrían causar alteraciones con la temperatura o resistencia a la fluencia. La técnica de película delgada también permite el control del valor de resistencia a la deformación del extensómetro. Una resistencia tan alta como 5000 ohmios se puede producir con el fin de permitir mayores voltajes de entrada y salida con bajo consumo de energía.

Circuitos de corrección de puente de extensómetro.

Cuando tensiones estáticas o el componente estático de una tensión mecánica variable va a ser medido, el circuito más conveniente es el puente de Wheatstone, se mostró previamente en la figura. El puente está en equilibrio (E = 0) cuando

Consideremos ahora un puente en el que los cuatro brazos son galgas extensométricas separados. Supongamos que el puente está inicialmente equilibrado, de modo que R1R3=R2R4 y E = 0. Un tensión mecánica en las galgas causará un cambio en cada valor de las resistencias R1, R2, R3, y R4 en cantidades incrementales Δ R1, Δ R2, Δ R3, y Δ R4, respectivamente. La salida de voltaje Δ E del puente se puede obtener a partir de

voltios

que se convierte en

voltios

Después de una considerable simplificación, esto se convierte

voltios

Esta última ecuación muestra que si las cuatro galgas experimentan la misma tensión, los cambios de resistencia se cancelarán y el cambio de voltaje Δ E será igual a cero. Por otro lado, si galgas R1 y R3 están en tracción (Δ R1 y Δ R3 positivo) y las galgas R2 y R4 están en compresión  (Δ R2 y Δ R4negativo), entonces, la salida será proporcional a la suma de todas las tensiones medidas por separado. Todos los transductores Wheatstone puente de cuatro brazos están conectados para dar dos galgas en tracción y dos galgas en compresión.

Un ejemplo de una configuración de cuatro galgas para el diafragma de un transductor de presión es mostrado en la figura. Este diseño aprovecha al máximo los esfuerzos de tracción tangenciales desarrollados en el centro del diafragma y las tensiones de compresión radial presentes en el borde.

Figura: Posiciones representativas de galgas sobre un diafragma de presión. La orientación toma ventaja de la distribución de carga. Las galgas están conectadas a un puente Wheatstone  con dos galgas en tracción y dos en compresión.

Otra ventaja de utilizar un puente de cuatro galgas, además del aumento de la salida, es el efecto sobre la sensibilidad a la temperatura. Si las galgas se encuentran muy juntas, como en un diafragma transductor de presión, las mismas serán sometidas a la misma temperatura. Por lo tanto el cambio de resistencia debido a la temperatura será la misma para cada uno de los brazos del puente Wheatstone. Si los cambios de resistencia de la galga debido a la temperatura son idénticos, los efectos de la temperatura se cancelarán y la tensión de salida del circuito no aumentará ni disminuirá debido a la misma.

La tensión de salida del puente de Wheatstone se expresa en milivoltios de salida por voltio de entrada. Por ejemplo, un transductor de rango de 3,0 mV / V a 500 psi (~ 73 kPa) tendrá una señal de salida de 30,00 mV para una entrada de 10 voltios a 500 psi (~ 73 kPa) o 36,00 mV para una entrada de 12 voltios. Cualquier variación en el suministro de alimentación directamente va a cambiar la salida del puente. En general, la regulación del suministro de energía debe ser 0,05 por ciento o mejor.

En la producción, las cuatro galgas en un puente de Wheatstone nunca llegan a ser exactamente iguales para todas las condiciones de deformación y temperatura (incluso en el proceso de semiconductor difundido). Por lo tanto diversas técnicas se han desarrollado para corregir las diferencias en los sensores de tensión (galgas) individuales y  hacer que el puente de galgas sea más fácil de usar con instrumentación electrónica. Cuatro valores principales normalmente necesitan ser ajustados (ver figura): (1) desequilibrio del puente eléctrico, (2) cambio de equilibrio con la temperatura, (3) cambio de alcance,  de sensibilidad  o de salida del puente con la temperatura, y (4) la normalización del puente, o sea salida a un valor dado de milivoltios por voltio. Otras características del transductor tales como la precisión, linealidad, histéresis, efecto de aceleración, y la deriva son parte del diseño del elemento transductor (brazo o diafragma) y no pueden corregirse después que el puente se ha producido.

Figura. Circuito transductor de galgas con cuatro elementos de galgas activas  (R1, R2, R3, y R4). Las resistencias de balance, sensibilidad, y compensación térmicas también se muestran.

La figura muestra el diagrama del circuito de un puente de Wheatstone con resistencias de ajuste. Una esquina del puente (puntos D y E) permanece "abierta", de modo que el puente se puede ajustar eléctricamente. Esto significa que cinco puntas salen de los cuatro sensores. El ajuste de balance de cero compensa el desequilibrio eléctrico en el puente causado por resistencias desiguales de las galgas extensométricas. Dependiendo de que  pierna esté desequilibrada, Rza se coloca entre los puntos E y F o entre los puntos D y F. El balance de cero cambia con la temperatura, y RZC se inserta dentro del puente para corregir este cambio. Un pequeño trozo de alambre de níquel se selecciona para proporcionar un cambio de resistencia opuesto a la variación de la resistencia del puente. Rsc es también un termistor de temperatura o sensor que cambia la resistencia con la temperatura para ajustar la excitación al puente. Los valores para Rzc  y Rsc tienen que seleccionarse haciendo funcionar cada puente sobre el rango de temperatura deseada [por lo general -65 a 300 ºF (-54 a 149 ºC)]. RSA es un resistor no sensible a la temperatura , y se utiliza para ajustar la salida a un valor preciso de milivoltios por voltio una vez que todos los resistores de balance y sensibles a la temperatura hayan sido insertados dentro del puente. El usuario de los transductores no se ve afectado porque todos estos circuitos están contenidos dentro del transductor y no interfiere con las conexiones de amplificadores, fuentes de alimentación o equipos.

Un puente de Wheatstone también se puede utilizar en aplicaciones que requieran sólo una o dos galgas extensométricas activas. Para compensar  la temperatura en aplicaciones de dos galgas, las mismas deben estar situadas en los brazos adyacentes del puente, como se muestra en la figura siguiente.

Figura. Circuito de puente de Wheatstone que utiliza dos galgas de medición. (Gage "A" y Gage "B")

Al colocar los extensómetros, sólo se tiene que reconocer que el puente está desequilibrado en proporción a la diferencia de las tensiones de las galgas situadas en los brazos adyacentes y en proporción a la suma de las tensiones de galgas situadas en los brazos opuestos.

Electrónica de transductores y transmisores a extensómetros.

La salida a plena escala de un puente extensómetro típico de lámina adherida, de cuatro elementos activos con todas las resistencias de compensación y ajuste conectadas es de ~ 20 a 30 mV con 10 voltios de excitación. Un amplificador debe ser utilizado para obtener las salidas de 0  a 5 voltios ó 4 a 20-mA usadas en la instrumentación de control. Como resultado de los avances en los circuitos integrados, muchos transductores ahora tienen amplificadores que están instalados internamente en el cuerpo transductor  (ver figura).

Amplificadores operacionales diferenciales de alta ganancia y bajo ruido, con calidad de instrumentación, tales como el OP- 07 hacen la amplificación de la salida del puente de extensómetros para transductores estándar de 0 a 5 voltios y transmisores de 4 a 20 mA fiables y fáciles. Estos amplificadores de circuitos integrados tienen una alta relación de rechazo de modo común y por lo tanto son muy adecuados para uso con circuitos de puente de Wheatstone. Son también inherentemente bien compensados con el fin de entregar una salida constante, independientemente de los cambios de temperatura.

Los amplificadores operacionales utilizados en los instrumentos tienen ganancias  controlables y ajustes de balance de cero. Puesto que el desplazamiento de la salida del canal de instrumentación es igual a la suma de los desplazamientos en el puente y en el amplificador, el desplazamiento combinado se puede ajustar en el amplificador de modo que el canal entregue 0 voltios a estímulos cero (presión, carga, par, y así sucesivamente) para transductores de 0 a 5 voltios de salida o 4 mA  a un estímulo a cero para transmisores de 4 a 20 mA de salida.

La celda de carga con elemento de refuerzo a cortante (shear web) es de una configuración algo diferente. Este diseño es utilizado para hacer células de carga para pesaje industrial, balanzas de grúa, etc. de alta capacidad [de 50.000 libras (22.650 kg)] . Un elemento de refuerzo a cortante conecta un soporte externo fijo, a un soporte interior, cargado. Las galgas extensométricas detectan la deformación por esfuerzo cortante producida en el refuerzo. El gran diámetro de un elemento de cizallamiento de muy alta capacidad requiere que la tensión sea medida en más de una ubicación. Nótese los tres refuerzos de la figura. Esto es práctica común en todos los tipos de grandes elementos transductores con el fin de obtener un valor promedio del total de tensiones en el elemento y para eliminar los errores causados por ligeros desequilibrio por descentrado. Las galgas extensométricas se conectan de modo que el usuario sólo ve un puente de 350 ohms.

Figura. Celda de carga tipo botella. Cada brazo del circuito de puente de Wheatstone contiene una galga extensométrica a partir de cada una de los refuerzos a cortante. Las microtensiones de los tres refuerzos (shear web) se suman entre sí en un circuito de puente  para determinar la carga. (Sensotec.)

 

 


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