Cómo hacer medidas con células de carga o transductores de presión

Este documento es parte de la Guía práctica para las medidas más comunes centralizada en este portal de recursos.

Células de carga y transductores de presión - Descripción de los principios de funcionamiento

 

Una célula de carga es un transductor que convierte la fuerza mecánica en señales eléctricas. Hay muchos tipos diferentes de células de carga que operan de formas diferentes, pero la célula de carga más comúnmente utilizada hoy en día es la galga extensométrica. Como su nombre implica, las células de carga mediante galgas extensométricas utilizan una matriz de galgas para medir la deformación de un componente de una estructura y convertirla en una señal eléctrica.

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Los transductores de presión funcionan bajo el mismo principio. Son galgas extensométricas montadas sobre un diafragma, de forma que, cuando se aplica presión miden una deformación del diafragma que es proporcional a la presión. Las siguientes secciones describen el principio de funcionamiento de las células de carga mediante galgas extensométricas y como hacer medidas con ellas, aunque lo mismo se aplica a los transductores de presión mediante galgas extensométricas.

 

Para entender cómo funciona una célula de carga, es necesario primero entender la teoría básica que hay detrás de los principios de funcionamiento. Como se dijo antes, las galgas extensométricas miden la deformación, o la tensión, para determinar la fuerza (carga) aplicada. La extensión se define como el porcentaje del cambio de la longitud. Más concretamente, la extensión es el cambio de longitud, ΔL, dividida por la longitud, L, y que varía de forma directamente proporcional a la carga aplicada. La figura 1 ilustra este concepto. Al detectar la extensión y conociendo las características físicas del componente de la estructura a la que se aplica la carga, se puede calcular con precisión la fuerza.

 

 

 

Figura 1. Extensión (ΔL)

 

Si bien hay varios métodos de medición de la tensión, el más común es con una galga extensométrica, un dispositivo cuya resistencia eléctrica varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo. El dispositivo más utilizado es la galga extensométrica metálica adhesiva, como se muestra en la figura 2.

 

Figura 2. Galga extensométrica metálica adhesiva.

 

Debido a que los cambios en la extensión y, por lo tanto, de la resistencia, son muy pequeños, se tienen que utilizar circuitos adicionales para amplificar los cambios de la resistencia. La configuración del circuito más común en una célula de carga se llama puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone, ilustrado en la Figura 3, se compone de cuatro ramas resistivas con una tensión de excitación VEX, que se aplica a los extremos del puente.

 

Figura 3. Puente de Wheatstone.

 

La tensión de salida del puente, V_O, es igual a:

 

 

Las células de carga en general, utilizan cuatro galgas extensométricas en una configuración de puente de Wheatstone, lo que significa que cada rama resistiva del circuito está activa. Esta configuración se conoce como puente completo. El uso de una configuración de puente completo aumenta enormemente la sensibilidad del circuito a los cambios de deformación, proporcionando unas medidas más precisas. Aunque hay una teoría más profunda sobre los puentes de Wheatstone, no es necesario conocerla, porque las células de carga son por lo general una "caja negra" con dos cables de excitación (0V y Vex) y dos cables para la señal de salida (AI+ y AI-). Los fabricantes de las células de carga proporcionan la curva de calibración de cada célula de carga, lo cual permite correlacionar la tensión de salida con una cantidad específica de la fuerza.

 

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En la siguiente sección se describe el equipo necesario para la adquisición de datos y el acondicionamiento de la señal para hacer medidas eficaces de células de carga / transductores de presión. Los requisitos básicos para hacer una medida de una célula de carga / transductor de presión son la excitación, la amplificación de la señal y el equilibrado del puente .

 

Excitación del puente

Los acondicionadores de señal de las células de carga proporcionan normalmente una fuente de tensión constante para alimentar el puente. Si bien no existe un nivel de tensión estándar que sea reconocido ampliamente en la industria, la tensión de excitación se haya generalmente en torno a unos niveles de 3 a 10V. Si bien, una mayor tensión de excitación genera proporcionalmente una mayor tensión de salida, una tensión mayor puede causar también mayores errores debidos al auto-calentamiento. Es muy importante que la tensión de excitación sea muy precisa y estable.

 

La amplificación de señal

La salida de las células de carga y de los puentes es relativamente pequeña. En la práctica, la mayoría de células de carga y de los transductores basados en células de carga proporcionan una salida de menos de 10mV/V (10mV de salida por voltio de tensión de excitación). Con una tensión de excitación de 10V, la señal de salida es de 100mV. Por lo tanto, un acondicionador de señal de una célula de carga incluye generalmente un amplificador para amplificar la señal y así incrementar el nivel de resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido.

 

Equilibrado del puente, anulación del ‘offset’

Cuando se instala un puente es muy poco probable que el puente de cómo salida exactamente 0V cuando no se aplica tensión. Por el contrario, ligeras variaciones en la resistencia entre las ramas del puente y la resistencia de los cables pueden generar una tensión inicial distinta de 0V (tensión de ‘offset’). Existen distintos modos en que un sistema puede manejar esta tensión inicial de ‘offset’

1. Compensación por Software- El primer método compensa la tensión inicial de ‘offset’ mediante software. Con este método, se toma una medida inicial antes de aplicar la tensión de entrada. Esto también se conoce como auto-cero. Este método es simple, rápido y no requiere ajustes manuales. La desventaja del método de compensación por software es que no se eliminará la tensión real de ‘offset’ del puente. Si el ‘offset’ es lo suficientemente grande, se limitará la ganancia que el amplificador puede aplicar a la tensión de salida, por lo tanto limitará el rango dinámico de la medida.
2. Circuito de anulación del ‘offset’- - El segundo método de equilibrado utiliza una resistencia regulable, o potenciómetro, para ajustar físicamente la salida del puente a 0V. Al variar la posición del potenciómetro se puede controlar el nivel de la salida del puente – ajuste inicial de la salida a 0V.
3. Anulación del ‘offset’ mediante ‘buffer’- El tercer método, al igual que el método de equilibrado por software, no afecta al puente directamente. Con un buffer de anulación, un circuito de anulación añade una tensión ajustable a la salida del amplificador de instrumentación.

 

Conexión de una célula de carga o de transductor de presión a un instrumento

Para esta sección, considere que por ejemplo se utiliza el chasis NI cDAQ-9172 y el módulo de galgas extensométricas NI 9237 de la Serie C (vea la figura 4). Se aplican procedimientos similares cuando se utilizan instrumentos de medida diferentes.

 

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Figure 4 Sistema CompactDAQ de NI

 

El equipo necesario incluye lo siguiente:

 

-          CDAQ-9172 chasis USB de alta velocidad con ocho slots para CompactDAQ de NI.

-          NI 9237 Módulo puente de 24 bits simultáneos. ±25mV/V y cuatro canales

-          Célula de carga de-puente completo.

 

El NI 9237 tiene cuatro conectores RJ-50 que proporcionan conexiones para cuatro puentes completos o medios-puentes. En la figura 5 se enumeran los nombres de las señales de los terminales de cada conector y muestra la correlación entre los números de los pines del enchufe modular RJ-50 10-position/10-conductor (10p10c) y el receptáculo del NI 9237. El módulo NI 9237 tiene también un conector de cuatro posiciones que se puede utilizar para conectar al módulo una fuente de tensión de excitación externa. La figura 6 muestra donde se encuentra ese conector, en la parte inferior del módulo NI 9237. También muestra las conexiones necesarias para una configuración de puente completo.

 

Figura 5.Nombres de los terminales del NI 9237

[JG1] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 6. Configuración del cableado en puente completo

 

Obtención visual de la medida: NI LabVIEW

Ahora que se ha conectado la célula de carga al dispositivo de medida, se puede utilizar el software de programación gráfica LabVIEW para transferir los datos al ordenador para su visualización y análisis.

La figura 7 muestra un ejemplo de visualización de los datos de deformación medidos mediante unos indicadores gráficos dentro del entorno de programación de LabVIEW.

 

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Figura 7. Panel frontal de LabVIEW mostrando los datos de la carga

 

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