Acondicionamiento para Señales de Galgas Extensiométricas

Las mediciones de galgas extensiométricas involucran sensar cambios muy pequeños de resistencia. Es por esto que una selección apropiada y el uso de un puente, acondicionamiento de señal, cableado y adquisición de datos son componentes requeridos para lograr mediciones precisas.

Completar el Puente

A menos que esté usando un sensor de puente completo con cuatro galgas activas, entonces va a necesitar completar el puente con resistencias de referencia. Es por esta razón que los dispositivos de acondicionamiento para galgas típicamente proveen redes para completar medio puente, las cuales consisten de dos resistencias de referencia de alta precisión. El diagrama de la Figura 1 muestra el cableado de un circuito de una galga extensiométrica de medio puente a un acondicionador con resistencias para completar R1 y R2. El valor nominal de las resistencias es menos importante comparado con qué tan bien las dos resistencias se igualan. Idealmente, los resistors se igualan y proven un voltaje de referencia estable de VEX/2 a la punta de entrada negativa del canal de medición. Por ejemplo, las resistencias de complemento de medio puente incluídas en el módulo de acondicionamiento de señales SCXI-1122 son de 2.5 kW con una tolerancia de 0.02%. La resistencia alta de los resistores de complemento ayudan a minimizar la corriente que tomaría del voltaje de exitación.

Figura 1. Conexión de un circuito de galga de medio puente.

Exitación del Puente

Acondicionadores de señal para galgas típicamente proveen una fuente de voltaje constante para energizar el puente. Aunque no hay un nivel de voltaje estándar reconocido en la industria, niveles de voltaje de exitación de entre 3 V y 10 V son comunes. Mientras un voltaje de exitación mayor genera proporcionalmente un voltaje de salida mayor, el mayor voltaje puede causar errors debido a sobrecalentamiento. Es importante recalcar que el voltaje de exitación debe ser muy preciso y estable. De modo alternativo, se puede usar un voltaje menos preciso o estable y medir o sensar el voltaje de exitación para calcular la presión correcta.

Medición de Excitación

Si el circuito de la galga de presión esta localizado a una distancia larga del acondicionador de señal y la fuente de exitación puede generarse un error debido a la caída de voltaje causada por la resistencia en los cables que conectan el voltaje de exitación al puente. Para estos casos algunos acondicionadores de señal incluyen una función llamada sensor remoto la cual compensa por este error. Existen dos métodos communes para sensar remotamente. Con el sensor remoto con retroalimentación, usted conecta cables extra con sensores en el punto donde los cables del voltaje de exitación se conectan con el circuito del puente. Los cables con sensores extra sirven para regular la fuente de exitación para compensar por pérdidas en las puntas y así entregar el voltaje necesario al puente. Este esquema se usa en el modulo SCXI-1122.

Una manera alterna de sensar remotamente usa un canal separado para medir directamente el voltaje de exitación que se le entrega al puente. Ya que las puntas del canal de medición llevan una corriente muy pequeña, la resistencia en las puntas es despreciable y no afectan a la medición. El voltaje de exitación medido es despues usado en la conversión voltaje-presión para compensar por las pérdidas en las puntas.

Amplificación de Señal

Las salidas de las galgas de presión y los puentes son relativamente pequeñas. En la práctica, la mayoría de los puentes de galgas y transductores de presión tienen salidas de menos de 10 mV/V (10 mV de salida por volt de voltaje de excitación). Con un voltaje de exitación de 10 V , la señal de salida será de 100 mV. Es por esto que los acondicionadores de señal para galgas incuyen amplificadores para aumentar el nivel de la señal, para incrementar la resolución de la medición y mejorar las relaciones de señal a ruido. Los modulos SCXI por ejemplo incluyen amplificadores de ganancia programmable, con ganancias de hasta 2000.

Balance de Puente, Eliminación de Offset

Cuando se instala un Puente es muy poco probable que el puente genere exactamente 0 volts cuando no hay ninguna carga aplicada. Algunas variaciones pequeñas en la resistencia de los brazos y puntas del Puente van a generar algun voltaje de offset inicial. Hay algunas maneras de que el sistema pueda manejar este voltaje inicial de offset:

1. Compensación por Software - El primer método compensa el voltaje inical via software. Con este método usted toma una medición inicial antes de que la carga sea aplicada. Este voltaje inicial es entonces usado en las ecuaciones de carga (Vea links adicionales para ver estas ecuaciones). Este método es simple, rápido y no requiere de ajustes manuals. La desventaja de este método es que el offset del puente no se remueve. Si el offset es lo suficientemente grande, va a limitar la ganancia del amplificador que usted pueda aplicar al voltaje de salida, asi también limitando el rango dinámico de la medición.

2. Circuito para Eliminar el Offset - El Segundo método usa resistencias ajustables o potenciometros para ajustar físicamente la salida del puente a cero. Por ejemplo, la Figura 2 ilustra el circuito de eliminación de offset del bloque terminal SCXI-1321. Al variar la posición del potenciometro (RPOT), usted puede controlar el nivel de salida del puente y colocar la salida inicial a cero volts. El valor de RNULL coloca el rango que el circuito puede balancear.
En el SCXI-1321, esta resistencia se puede ajustar fácilmente para balancear el rango.

3. Eliminación de Offset por Buffer - El tercer método, como el método de software, no afecta al Puente directamente. Con eliminación por buffer, un circuito de eliminación añade un voltaje de DC adjustable a la salida del amplificador de instrumentación. Por ejemplo, el accesorio para galgas SC-2043-SG usa este método. El SC-2043-SG incluye un potenciómetro adjustable por el usuario el cual puede añadir ±50 mV a la salida del amplificador de instrumentación que tiene una ganancia fija de 10. Asi, el rango de eliminación, con referencia a la entrada es de ±5 mV.

Calibración de Shunt

El procedimiento normal para verificar la salida de un sistema de medición de galgas de presión relativo a una entrada mecánica predeterminada se llama calibración shunt o shunt calibration. Shunt calibration involucra simular la entrada de una presión cambiando la resistencia de uno de los brazos del puente una cantidad conocida. Esto se logra al conectar una resistencia grande de valor conocido a lo largo de uno de los brazos del puente. La salida del puente entonces puede ser medida y comparada con el valor esperado de voltaje.

Para más información (en inglés) sobre galgas extensiómetricas, mediciones y ecuaciones visite la sección de Galgas Extensiómetricas en Developer Zone.

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