Tema: Medición de Torque y Deformación

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1 Instrumentación Industrial. Guía 4 1 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 A) 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 La resistencia R de un conductor eléctrico cambia con la razón de ΔR/R 0 cuando está sujeta a efectos mecánicos que causan su estiramiento, el cambio sigue a: ε = ΔL/L 0. 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

2 2 Instrumentación Industrial. Guía 4 relativo de la resistencia se acerca proporcionalmente al valor de la tensión. La relación a utilizar para el cálculo es: ΔR/R 0 = 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.

3 Instrumentación Industrial. Guía 4 3 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 R =k 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.

4 4 Instrumentación Industrial. Guía 4 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: U A U E = k 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 U A = k U E 4 Ec. 3 Con, 1= 2= 3= 4 entonces: U A U E =k 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: U A U E = k 2 Ec. 5 En ambos casos, el semipuente o puente completo, la temperatura está

5 Instrumentación Industrial. Guía 4 5 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. Procedimiento Figura 5. Montaje de Galgas Extensiométricas en el circuito puente. 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

6 6 Instrumentación Industrial. Guía 4 3. Ensamble el circuito mostrado en la Figura 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

7 Instrumentación Industrial. Guía 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 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 DMS 1 DMS 2 DMS 3 DMS Potenciómetro de balance 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 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

8 8 Instrumentación Industrial. Guía 4 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 DMS 1-3 DMS Potenciómetro de balance 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.

9 Instrumentación Industrial. Guía 4 9 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 Potenciómetro de balance 1-3 o 2-4 Tabla Apague y desconecte el equipo.

10 10 Instrumentación Industrial. Guía 4 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 Tabla 4 Vout

11 Instrumentación Industrial. Guía 4 11 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 N LUCAS NÜLLE Transductor de Fuerza Módulo G25/EV

12 12 Instrumentación Industrial. Guía 4 Hoja de cotejo: 4 Guía 4: Medición de Torque y Deformación Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25% APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70% ACTITUD 2.5% EVALUACION % Nota 2.5% TOTAL 100% Conocimiento deficiente 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. Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos 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 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. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Realiza correcta y completamente todos los análisis solicitados. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.