Tema: Medición de Torque y Deformación

Instrumentación Industrial. Guía 4
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Facultad: Ingeniería
Escuela: Electrónica
Asignatura: Instrumentación Industrial
Lugar de ejecución: Instrumentación y Control
(Edificio 3, 2da planta)
Tema: Medición de Torque y Deformación
Objetivo General
•
Que el estudiante experimente cómo las galgas extensiométricas varían su resistencia
eléctrica por efecto de su defomación.
Objetivos Específicos
•
•
•
•
Calibrar el acondicionador de señal.
Analizar la linealidad de la curva de salida del puente de Wheatstone para una sola galga
y los demás resistores fijos.
Analizar la linealidad de la curva de salida del puente de Wheatstone para dos galgas en
puente y dos resistores fijos.
Analizar la linealidad de la curva de salida del puente de Wheatstone formado solamente
por galgas extensiométricas.
Material y Equipo
•
•
•
•
•
•
•
•
1 Módulo Bending Rod (SO3535-7M).
1 Fuente de alimentación de +/-15V.
1 Amplificador de medición de CD (SO 3535-8A)
1 Multímetro
1 Juego de Pesas Lucas Nülle de 100,200,500,1000 y 2000 gramos
1 Módulo Transductor de Peso y acondicionador de señal G25 Veneta
1 Unidad Transductor de peso TY 25/EV Veneta
1 Juego de Pesas 250g y 1Kg
Introducción Teórica
Las técnicas de medición de tensión están basadas en los efectos de las resistencias de
tensión de alambres conductores eléctricos, fue descubierto por Wheastone en 1843. La
resistencia R de un conductor eléctrico cambia con la razón de ΔR/R0 cuando está sujeta a
efectos mecánicos que causan su estiramiento, el cambio sigue a: ε = ΔL/L0. El cambio en la
resistencia se debe en parte al cambio geométrico del conductor y parcialmente debido al
cambio en la conductividad eléctrica causada por el cambio en la estructura física del
dispositivo. El material comúnmente usado es una aleación de cobre-níquel. El cambio
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relativo de la resistencia se acerca proporcionalmente al valor de la tensión. La relación a
utilizar para el cálculo es: ΔR/R0 = ε x K, siendo K un valor característico del material
utilizado. Debido a que el sensor produce un cambio de resistencia con respecto al valor
medido, se requiere circuitería adicional. La Figura 1 muestra un arreglo típico de
acondicionador de señal para este sistema. Las galgas extensiométricas juegan un papel
muy importante en las técnicas de medición eléctricas. Las galgas extensiométricas se
pueden utilizar de varias formas, una de ellas es la de colocar un peso al final de la galga, de
tal forma que éste deforme al dispositivo sensor el cual alterará su resistencia de acuerdo a
la tensión que será igual al peso del objeto en condiciones estáticas.
Figura 1. Circuitería adicional necesaria.
Construcción de Galgas Extensiométricas (GE’s)
En principio, una galga consiste de una malla conductora muy delgada, montada entre 2
hojas plásticas, Figura 2.
Figura 2. Construcción típica de una galga.
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Básicamente una galga tiene una malla de medición. Aquí, la dirección de la medida coincide
con la dirección longitudinal de la malla. De acuerdo a la expresión:
R
=k⋅
R
Ec. 1
La longitud de la malla no tiene efecto sobre la sensibilidad. Las longitudes por tanto se
escogen para el tipo de medida que se hará. (longitudes comunes son: 0.4 a 150 mm).
Debido a los numerosos métodos y procesos de medición de las galgas se han desarrollado
muchos tipos. Por ejemplo, galgas con varias mallas puestas en un ángulo definido con
respecto a otra y montadas en una estructura (Figura 3). Usando tales galgas, pueden
detectarse voltajes en varias direcciones en un punto de medición.
Figura 3. Galgas con múltiples mallas.
Repuesta a la Temperatura de las GE’s.
Como “respuesta a la temperatura” se entiende como la dependencia a cambios
reproducibles de la temperatura en la calibración del punto cero. Durante la operación, todos
los instrumentos de prueba se incluyen en ésta debido a sus propios cambios de
temperatura. La respuesta a la temperatura en el punto de medición de la GE se debe a las
diferencias en la expansión lineal por calor entre el objeto medido y el material de la malla
como también al coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica.
Los cambios en la resistencia de la GE como el resultado de los cambios de temperatura, no
son diferentes a los cambios causados por la distorsión del objeto medido resultante de una
fuerza aplicada. Cualquier indicador conectado no diferenciará entre el esfuerzo resultante de
los efectos “mecánicos” o “térmicos” e indicará ambos simplemente como “esfuerzo”.
Hay tres posibles formas de evitar errores introducidos por los cambios de temperatura:
•
•
•
Usando una GE compensada, es decir, haciendo uso completo de las posibilidades
ofrecidas por el circuito en puente de Wheatstone.
Usando GE’s con compensación automática de temperatura, cuyo coeficiente de
temperatura se iguala al coeficiente de expansión térmica del material del objeto medido.
Corrigiendo los valores medidos, usando una curva de respuesta de temperatura, la cual
debe registrarse antes de iniciar las mediciones.
En la práctica, las primeras dos alternativas son las más frecuentemente usadas.
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El circuito de medida usado en la barra para doblar.
Como se mencionó antes, los esfuerzos ocurren en un componente sometido a presión
mecánica. Una barra fija en un extremo y con una carga aplicada en su extremo libre, está
sujeta a una tensión en su superficie superior y a compresión en su superficie inferior. Los
esfuerzos son de igual magnitud y opuestos uno del otro. Si se considera que la tensión es
positiva y la compresión es negativa entonces se puede aplicar la siguiente expresión para
sumar los valores medidos:
UA k
=   1− 2 3− 4
UE 4
Ec. 2
Si las galgas (DMS 1-4) se montan en la barra como se muestra en la Figura 4, entonces
para la expresión 1, la salida relativa está dada por:
Figura 4. Montaje en puente de las DMS 1-4
UA k
=  1−− 2 3− 4
UE 4
Ec. 3
Con ,  1= 2= 3= 4 entonces:
UA
=k⋅
UE
Ec. 4
Aquí se obtiene cuatro veces el valor medido, comparado al que usa sólo una galga.
Si solamente se utilizan dos GE’s en la barra para doblar, entonces deben usarse los brazos
1 y 2. El voltaje de salida relativo está dado por:
UA k
= 
UE 2
Ec. 5
En ambos casos, el semipuente o puente completo, la temperatura está
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compensada. Ya que cualquier efecto de la temperatura, la cual causa expansión en ambas
superficies en la barra son positivos y de la misma magnitud (asumiendo que ambas
superficies de la barra están a la misma temperatura), las señales están completamente
compensadas cuando el sistema se conecta como muestra la Figura 5. Entonces, de
acuerdo a las ecuaciones del puente de Wheatstone los valores medidos restan cuando
están diagonalmente colocados y tienen el mismo signo. Por lo tanto es importante que las
galgas se conecten correctamente en el circuito puente.
Figura 5. Montaje de Galgas Extensiométricas en el circuito puente.
Procedimiento
1. Observe y compare la Figura 6 con las dimensiones de la barra para doblar (viga en
voladizo) presente en el módulo.
Figura 6. Dimensiones de la viga en voladizo.
2. La conexión de las galgas se presenta a continuación:
Figura 7. Conexión de las galgas en la viga
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3. Ensamble el circuito mostrado en la Figura 8.
4. Conecte el amplificador de instrumentación al sensor de deformación por flexión
(BENDING ROD), note que solamente se está utilizando ¼ del puente de medición
(una sola galga), el voltaje de referencia (SET POINT VALUE) ajústelo a 0V.
Figura 8. Diagrama del circuito
5. Encienda la fuente de alimentación de +/-15V, conecte el voltímetro para medir el
voltaje de salida del 0...Uref del voltaje de referencia (SET POINT VALUE) y ajústelo a
+5V. ¿Qué función tendrá este voltaje?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
7. Para calibrar el amplificador de instrumentación de la unidad de mediciones se
requiere esperar a que el equipo haya funcionado por 5 minutos. Espere ese tiempo y
luego proceda con la guía.
8. Desconecte del circuito las dos entradas del amplificador diferencial y conéctelas a 0V.
Disponga el voltímetro para medición de bajo voltaje (se recomienda 3V), en la salida
del amplificador (UA en la Figura 8).
9. Coloque el interruptor de ganancia en 100 y el potenciómetro de ajuste fino, en 1.
Ajuste la salida del voltaje a cero (si es necesario disminuya la escala del voltímetro),
con el ajuste de offset (OFFS ADJ).
10. Reconecte las entradas del amplificador de instrumentación al circuito como en la
Figura 8
Instrumentación Industrial. Guía 4
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11. Inicialmente el puente debe estar balanceado, coloque el rango del voltímetro en
300mV. Cuando la viga en voladizo permanece sin carga se debe ajustar el resistor de
balance de 100K hasta que la salida del amplificador de medición sea cero.
12. Cargue la viga en voladizo con pesos en pasos de 200g y mida el cambio en la
resistencia de la galga reflejado en voltaje. Introduzca los cambios en la Tabla 1, en la
primera columna DMS 1.
13. Al terminar las mediciones, apague la fuente de alimentación y desconecte parte del
circuito para medir correctamente con el Ohmetro la resistencia del potenciómetro de
balance. Registre ese valor en la Tabla 1 (recuerde después volver la escala a voltios).
Peso Kg
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Potenciómetro
de balance
DMS 1 DMS 2 DMS 3 DMS 4
Tabla 1
14. Para conectar el circuito nuevamente y luego repetir las mediciones con la DMS 2, es
necesario desconectar la DMS 1 y ahora será la conexión con la DMS 2 y el resistor
fijo de 365Ω superior y el terminal positivo del amplificador de instrumentación irá a
esta conexión, lo demás no presenta cambios.
15. Rebalancee el puente por medio del resistor variable de 100K cuando la viga no
sostiene ningún peso.
16. Realice todas las mediciones que se le solicitan en la Tabla 1 nuevamente
17. Haga un procedimiento similar con la DMS 3, el puente se completará con el resistor
fijo de 365Ω superior, recuerde rebalancear el puente. Llene la columna DMS 3.
18. Para la DMS 4 se usará el resistor fijo de 365Ω inferior como la DMS 1, rebalancee el
puente y termine de llenar la Tabla 1 en la columna DMS 4.
Nota: Recuerde que la galga extensiométrica es capaz de detectar cambios en el material en
el que se encuentre pegada, por medio de estiramiento que no puede ser percibido a simple
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vista. Al ejercer una fuerza sobre la barra (Por ende se aplica una torca 1) se produce un
estiramiento minúsculo en el material, ese estiramiento que para nuestros sentidos es
imperceptible, lo pueden percibir las galgas extensiométricas, eso se aprovecha en este
sensor para mediciones que tengan que ver con la fuerza como tensión, peso, torca, etc.
PARTE II Medición con un semipuente de galgas.
19. Ensamble el circuito que se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Conexión de medio puente de galgas
20. Repita el procedimiento de la parte I para cada ½ puente de galgas y llene la Tabla 2.
Peso Kg
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Potenciómetro
de balance
DMS 1-3
DMS 2-4
Tabla 2
1
Torca: Se refiere a aplicar dos fuerzas sobre un cuerpo para hacerlo girar, en este caso un lado del objeto (la
barra metálica se encuentra fija) está empotrada y la otra se encuentra libre.
Instrumentación Industrial. Guía 4
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PARTE III Medición con un puente completo de galgas.
21. Ensamble el circuito que se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Circuito de Puente completo.
22. Repita el procedimiento de la parte I para el puente completo de galgas y llene la Tabla 3.
Ajuste el voltímetro en la escala de 3V.
Peso Kg
Voltaje de salida
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Potenciómetro
de balance 1-3
o 2-4
Tabla 3
23. Apague y desconecte el equipo.
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PARTE IV Calibración del acondicionador de señal y obtención de la curva
característica Fuerza/tensión salida de equipo Veneta
24. Conecte la alimentación +/-12 v y GND a la fuente.
25. Conecte con el cable DIN el transductor a la unidad de peso.
26. Encienda la fuente de alimentación
27. Mida con el voltímetro entre el borne 1 y GND
28. Regular el trimemer RV1 hasta que se lea una tensión de 8 V en el voltímetro (regulación
de la tensión de excitación)
29. Conecte el voltímetro digital en la salida OUT.
30. Regular el trimmer RV2 hasta que se lea 0 V en el voltímetro digital (regulación del offset)
31. Cargar la unidad de peso con un peso patrón de 20 kg.
32. Regular el trimmer RV3 hasta que se lea la tensión de 8V (calibración de la escala del
acondicionador)
33. Ya con el acondicionador del equipo calibrado, cargue la unidad de peso con los pesos
que se indican en la Tabla 4 y mida el voltaje de salida
Peso Kg
0
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
1.5
1.75
2.0
2.5
2.75
3.0
Vout
Tabla 4
Instrumentación Industrial. Guía 4
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Análisis de Resultados
1. En la parte I del procedimiento. ¿por qué hay que rebalancear el puente para cada galga?
2. Para la parte I ¿por qué los valores del voltaje tienen diferente signo para las galgas?
3. Compare las gráficas de las Tablas 1 y 2. Comente sobre la comparación
4. Para la parte II ¿qué puede decirse sobre el balanceo del puente?
5. Compare las gráficas de las Tablas 2 y 3. Comente sobre la comparación.
6. Para la parte III ¿qué puede decirse sobre el balanceo del puente?
7. Calcule la linealidad y las rectas óptimas derivadas de los datos obtenidos, concluya al
respecto.
Investigación Complementaria
1. Investigue sobre otro tipo de trasductores de fuerza.
Bibliografía
•
Medición con galgas extensiométricas
IMT 2. SO 5157-2N
LUCAS NÜLLE
•
Transductor de Fuerza Módulo G25/EV
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Instrumentación Industrial. Guía 4
Hoja de cotejo: 4
Guía 4: Medición de Torque y Deformación
Alumno:
Máquina No:
Docente:
GL:
Fecha:
EVALUACION
%
CONOCIMIENTO
25%
APLICACIÓN DEL
CONOCIMIENTO
70%
ACTITUD
2.5%
2.5%
TOTAL
100%
1-4
5-7
8-10
Conocimiento
deficiente de los
fundamentos
teóricos
Conocimiento y
explicación incompleta de
los fundamentos teóricos
Tiene dificultades
para:
- Experimentar y
Analizar los
gráficos para una
galga
- Experimentar y
analizar los
gráficos para dos
galgas
- Experimentar y
analizar los
gráficos para
cuatro galgas
Es un observador
pasivo.
Presenta desarrollo
incompleto de:
- Experimentar y Analizar
los gráficos para una galga
- Experimentar y analizar
los gráficos para dos
galgas
- Experimentar y analizar
los gráficos para cuatro
galgas
Conocimiento
completo y
explicación clara de
los fundamentos
teóricos
Realiza correcta y
completamente
todos los análisis
solicitados.
Es ordenado; pero
no hace un uso
adecuado de los
recursos
Participa ocasionalmente o
lo hace constantemente
pero sin coordinarse con
su compañero.
Hace un uso adecuado de
los recursos, respeta las
pautas de seguridad; pero
es desordenado.
Participa propositiva
e integralmente en
toda la práctica.
Hace un manejo
responsable y
adecuado de los
recursos conforme a
pautas de seguridad
e higiene.
Nota