Cómo Realizar una Medición con una Galga Extensiométrica

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Generalidades de la Tensión y de las Galgas Extensiométricas

La tensión es la cantidad de deformación de un cuerpo debido a la acción de una fuerza aplicada. Más específicamente, la tensión (e) se define como el cambio fraccional en longitud, como se muestra en la Figura 1. Mientras existen muchos métodos para medir tensión, el más común de todos es con un medidor de tensión (o galga extensiométrica), un dispositivo cuya resistencia eléctrica varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo. La galga más ampliamente usada es la galga extensiométrica metálica limitada.

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Figura 1. Definición de Tensión

La galga extensiométrica metálica consiste de un cable muy fino, más comúnmente, una hoja metálica organizada en un patrón de rejilla. El patrón de rejilla maximiza la cantidad de cable metálico, o de hoja, sujeto a tensión en la dirección paralela (Figura 2). La grilla se une a un delgado respaldo, denominado el portador, el cual se sujeta directamente al espécimen de prueba. Por tanto, la tensión experimentada por el espécimen de prueba se transfiere directamente a la galga extensiométrica, la cual responde mediante un cambio lineal en la resistencia eléctrica. Las galgas extensiométricas están disponibles comercialmente con valores nominales de resistencia desde 30 hasta 3000 Ω, siendo 120, 350 y 1000 Ω los valores más frecuentes.

Figure 2. Galga Extensiométrica Metálica Limitada

En la práctica, las mediciones de tensión rara vez involucran cantidades mayores a unas pocas milésimas de tensión (e x 10-3). Por tanto, la medición de tensión requiere de exactitud en la detección de cambios muy pequeños en resistencia. Para medir tales cambios en la resistencia, las galgas extensiométricas casi siempre se emplean en configuraciones de puente con una fuente de excitación de voltaje. El puente general de Wheatstone, que se ilustra en la Figura 3, consiste de cuatro brazos resistivos con un voltaje de excitación, VEX, que es aplicado a través del puente.

Figura 3. Configuración del Puente de Wheatstone

El voltaje de salida del puente, VO, es igual a:

De esta ecuación, se aprecia que cuando R1/R2 = R4/R3, el voltaje de salida, VO, es cero. Bajo estas condiciones, se dice que el puente está balanceado. Cualquier cambio en la resistencia de cualquiera de los brazos del puente resultará en un voltaje de salida diferente de cero.

Por tanto, si usted reemplaza R4 en la Figura 3 por una galga extensiométrica activa, cualquier cambio en la resistencia de esta galga desbalancea el puente y produce un voltaje de salida diferente de cero. Si la resistencia nominal de la galga extensiométrica se designa por RG, entonces el cambio inducido por tensión en la resistencia, DR, se puede expresar como DR = RG*GF*e. Asumiendo que R1 = R2 y R3 = RG, la ecuación previa del puente se puede reescribir para expresar VO/VEX como una función de la tensión (ver Figura 4). Note la presencia del término 1/(1+GF*e/2) que indica la no linealidad de la salida en un cuarto de puente con respecto a la tensión.

Figura 4.Circuito de Cuarto de Puente

Idealmente, usted desea que la resistencia de la galga extensiométrica cambie sólo respecto a la tensión aplicada. Sin embargo, el material de la galga extensiométrica, así como el material del espécimen al cual se fija la galga, también responden a cambios en la temperatura. Los fabricantes de galgas extensiométricas procuran minimizar la sensibilidad a la temperatura procesando el material de la galga para que compense la expansión térmica del material del espécimen para el cual se proyecta la galga. Mientras que las galgas compensadas reducen la sensibilidad térmica, ellas no la eliminan totalmente.

Usando dos galgas extensiométricas en el puente, usted puede minimizar aún más el efecto de la temperatura. Por ejemplo, la Figura 5 ilustra una configuración con galgas extensiométricas, donde una galga está activa ( RG+ DR) y la segunda galga se coloca transversalmente a la galga anterior. Por consiguiente, la tensión tiene poco efecto sobre la segunda galga, denominada galga ficticia. Sin embargo, cualquier cambio en la temperatura afecta a ambas galgas de la misma forma. Ya que los cambios en temperatura son idénticos en las dos galgas, la relación de sus resistencias no cambia, el voltaje VO no cambia, y los efectos de cambios por temperatura se minimizan.

Figura 5.Uso de una Galga Ficticia para Eliminar los Efectos de la Temperatura

Usted puede doblar la sensibilidad del puente a la tensión haciendo que ambas galgas estén activas en una configuración de medio-puente. Por ejemplo, la Figura 6 ilustra una aplicación de viga a flexión con un puente montado en tensión ( R_G+ DR) y otro montado en compresión ( R_G+ DR). Esta configuración de medio puente, cuyo diagrama circuital también se muestra en la Figura 6, produce un voltaje de salida que es lineal y aproximadamente el doble de la salida del circuito de un cuarto de puente.

Figura 6. Circuito de Medio-Puente

Finalmente, usted puede mejorar aún más las sensibilidad del circuito haciendo que todos los cuatro brazos del puente sean galgas extensiométricas activas en una configuración de puente completo. El circuito de puente completo se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Circuito de Puente Completo

Así, un único brazo con una galga extensiométrica activa es un circuito de cuarto de puente, dos brazos con galgas extensiométricas activas son un circuito de medio puente, y todos los cuatro brazos con galgas extensiométricas forman un circuito de puente completo.

Las galgas extensiométricas no poseen polaridad, aunque, dependiendo de cual de las tres configuraciones anteriores se emplee, existe un gran número de conexiones diferentes que se pueden tener para realizar el hardware de medición tal como se explica en la sección siguiente.

Cómo Realizar una Medición con una Galga Extensiométrica

La mayoría de la soluciones para mediciones con galgas extensiométricas proveen opciones para configuraciones de cuarto, medio y puente completo.

Considere como ejemplo un sistema NI CompactDAQ con un módulo de puente de 4 canales simultáneos NI 9237 (Figura 8).

Figura 8: Sistema NI CompactDAQ y Módulo de Puente de 4 Canales Simultáneos NI 9237

 

La Figura 9 muestra un diagrama de conexiones para cablear una galga extensiométrica en una configuración de cuarto de puente para este módulo.

Conecte un extremo de una galga en cuarto de Puente al terminal CH+ en el módulo y el otro extremo al terminal QTR. Observe que el terminal EX- en el módulo no se cablea debido a la configuración de cuarto de puente, R3 es interna para el hardware de medición (ver Figura 9).

 

Figura 9: Cableado en una Configuración de Cuarto de Puente

Para mediciones en una configuración de medio puente, conecte dos cables desde los dos elementos activos a los terminales EX+ y EX- en el módulo. Finalmente, conecte un cable entre el punto común de los dos elementos activos al terminal QTR en el módulo de medición (ver Figura 10).

Figure 10: Cableado en una Configuración de Medio Puente

Para mediciones en una configuración de puente completo, conecte el punto común entre R1 y R4 a EX+ y el punto común entre R2 y R3 a EX-. También, conecte el punto común entre R3 y R4 a CH+ y el punto común entre R1 y R2 a CH- (Ver Figura 11).

 
Figure 11: Cableado en una Configuración de Puente Completo

 

Vea su medición utilizando NI LabVIEW.

Ahora que usted ha conectado su sensor al dispositivo de medición, puede transferir sus datos dentro de su computadora  para propósitos de visualización empleando el software de programación gráfica LabVIEW.

La Figura 12 muestra un ejemplo del despliegue de datos de medición de tensión en un indicador dentro del ambiente de programación de LabVIEW.

Figure 12: Despliegue de Datos de Medición de Tensión en Ambiente de LabVIEW

 

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