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Tema: Medición de Torque y Deformación

Que el estudiante experimente cómo las galgas extensiométricas varían su resistencia eléctrica por efecto de su deformación.

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.

1 Fuente de alimentación +/-15 VDC [SO3538-8D]. 1 Módulo Bending Rod [SO3535-7M]. 1 Amplificador de medida de CD [SO3535-8A] o módulo amplificador de instrumentación

con INA 110 11 Puentes de conexión Lucas Nülle 5 Cables de conexión Lucas Nülle 1 Multímetro 1 par de puntas para multímetro 1 Juego de Pesas Lucas Nülle de 0.1, 0.2, 0.5, 1 y 2 Kg 1 Fuente de alimentación +/-12VDC Elettronica Veneta 1 Módulo Transductor de peso y acondicionador de señal G25 Elettronica Veneta 1 Unidad Transductor de peso TY 25/EV Elettronica Veneta 1 Juego de Pesas Elettronica Veneta de 0.25 y 1Kg 1 Cable DIN 2 Cables de conexión Elettronica Veneta 1 Destornillador plano de 2mm

Instrumentación Industrial. Guía 4

Objetivo General

Objetivos Específicos

Material y Equipo

Facultad: IngenieríaEscuela: ElectrónicaAsignatura: Instrumentación IndustrialLugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta)

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Las técnicas de medición de tensión están basadas en los efectos de las resistencias de tensiónde alambres conductores eléctricos, fue descubierto por Wheastone en 1843. La resistencia Rde un conductor eléctrico cambia con la razón de ΔR/R0 cuando está sujeta a efectos mecánicosque causan su estiramiento, el cambio sigue a: = Δε L/L0. El cambio en la resistencia se debe enparte al cambio geométrico del conductor y parcialmente debido al cambio en la conductividadeléctrica causada por el cambio en la estructura física del dispositivo. El material comúnmenteusado es una aleación de cobre-níquel. El cambio relativo de la resistencia se acercaproporcionalmente al valor de la tensión. La relación a utilizar para el cálculo es: ΔR/R0 = x K,εsiendo K un valor característico del material utilizado. Debido a que el sensor produce uncambio de resistencia con respecto al valor medido, se requiere circuitería adicional. La Figura4.1 muestra un arreglo típico de acondicionador de señal para este sistema. Las galgasextensiométricas juegan un papel muy importante en las técnicas de medición eléctricas. Lasgalgas extensiométricas se pueden utilizar de varias formas, una de ellas es la de colocar unpeso al final de la galga, de tal forma que éste deforme al dispositivo sensor el cual alterará suresistencia de acuerdo a la tensión que será igual al peso del objeto en condiciones estáticas.

Figura 4.1. Circuitería adicional necesaria.

Construcción de Galgas Extensiométricas (GE’s)

En principio, una galga consiste de una malla conductora muy delgada, montada entre 2 hojasplásticas, Figura 4.2.


Introducción Teórica

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Figura 4.2. Construcción típica de una galga.

Básicamente una galga tiene una malla de medición. Aquí, la dirección de la medida coincidecon la dirección longitudinal de la malla. De acuerdo a la expresión:

RR

=k⋅

La longitud de la malla no tiene efecto sobre la sensibilidad. Las longitudes por tanto se escogenpara 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 desarrolladomuchos tipos. Por ejemplo, galgas con varias mallas puestas en un ángulo definido con respectoa otra y montadas en una estructura (Figura 4.3). Usando tales galgas, pueden detectarsevoltajes en varias direcciones en un punto de medición.

Figura 4.3. Galgas con múltiples mallas.

Repuesta a la Temperatura de las GE’s.Como “respuesta a la temperatura” se entiende como la dependencia a cambios reproduciblesde la temperatura en la calibración del punto cero. Durante la operación, todos los instrumentosde prueba se incluyen en ésta debido a sus propios cambios de temperatura. La respuesta a latemperatura en el punto de medición de la GE se debe a las diferencias en la expansión linealpor calor entre el objeto medido y el material de la malla como también al coeficiente detemperatura de la resistencia eléctrica.

Los cambios en la resistencia de la GE como el resultado de los cambios de temperatura, no sondiferentes a los cambios causados por la distorsión del objeto medido resultante de una fuerzaaplicada. Cualquier indicador conectado no diferenciará entre el esfuerzo resultante de losefectos “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

Ec. 4.1


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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.

El circuito de medida usado en la barra para doblar.Como se mencionó antes, los esfuerzos ocurren en un componente sometido a presiónmecánica. Una barra fija en un extremo y con una carga aplicada en su extremo libre, estásujeta a una tensión en su superficie superior y a compresión en su superficie inferior. Losesfuerzos son de igual magnitud y opuestos uno del otro. Si se considera que la tensión espositiva y la compresión es negativa entonces se puede aplicar la siguiente expresión parasumar los valores medidos:

U A

U E

=k4 1− 2 3− 4

Si las galgas (DMS 1-4) se montan en la barra como se muestra en la Figura 4.4, entonces para la expresión 1, la salida relativa está dada por:

Figura 4.4. Montaje en puente de las DMS 1-4.

Con , entonces:

Ec. 4.2

Ec. 4.3

Ec. 4.4


U A

U E

=k41−− 2 3− 4

1= 2= 3= 4

U A

U E

=k⋅

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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 y2. El voltaje de salida relativo está dado por:

En ambos casos, el semipuente o puente completo, la temperatura está compensada. Ya quecualquier efecto de la temperatura, la cual causa expansión en ambas superficies en la barra sonpositivos y de la misma magnitud (asumiendo que ambas superficies de la barra están a lamisma temperatura), las señales están completamente compensadas cuando el sistema seconecta como muestra la Figura 4.5. Entonces, de acuerdo a las ecuaciones del puente deWheatstone los valores medidos restan cuando están diagonalmente colocados y tienen elmismo signo. Por lo tanto es importante que las galgas se conecten correctamente en el circuitopuente.

Figura 4.5. Montaje de Galgas Extensiométricas en el circuito puente.

PARTE I. Medición con una sola galga.

1. Observe y compare la Figura 4.6 con las dimensiones de la barra para doblar (viga envoladizo) presente en el módulo.

Figura 4.6. Dimensiones de la viga en voladizo.

Ec. 4.5


Procedimiento

U A

U E

=k2

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2. La conexión de las galgas se presenta a continuación:

Figura 4.7. Conexión de las galgas en la viga.

3. Ensamble el circuito mostrado en la Figura 4.8.

4. Conecte el amplificador de instrumentación al sensor de deformación por flexión(BENDING ROD), note que solamente se está utilizando del puente de medición (una¼sola galga), el voltaje de referencia (SET POINT VALUE) ajústelo a 0V.

Figura 4.8. Diagrama del circuito.

5. Encienda la fuente de alimentación de +/-15V, conecte el voltímetro para medir elvoltaje de salida del 0...Uref del voltaje de referencia (SET POINT VALUE) y ajústelo a+5V. ¿Qué función tendrá este voltaje?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Para calibrar el amplificador de instrumentación desconecte momentáneamente susentradas del módulo de galgas, ahora conecte ambas entradas del amplificador deinstrumentación a 0V. Disponga el voltímetro para medición de bajo voltaje, en la salida


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del amplificador (UA en la Figura 4.8).

7. Si está utilizando el amplificador de instrumentación Lucas Nülle coloque el interruptorde ganancia en 100, el potenciómetro de ajuste fino en 1 y con el potenciómetro deajuste de offset (OFFS ADJ) lleve la salida del voltaje a cero (si es necesario disminuya laescala del voltímetro) y continúe con el paso 8. Si está utilizando el módulo con elamplificador INA110 coloque el jumper para tener una ganancia de 100 y con lospotenciómetros de ajuste de offset lleve la salida del voltaje a cero (si es necesariodisminuya la escala del voltímetro).

8. Una vez calibrado el amplificador de instrumentación reconecte las entradas de este almódulo de galgas como se indica en la Figura 4.8.

9. Inicialmente el puente debe estar balanceado, si la viga en voladizo permanece sin cargase debe tener un valor de cero en la salida del sistema, con el potenciómetro de balancede 100K presente en el módulo de galgas puede ajustarse ese valor, mueva elpotenciómetro de un extremo a otro y observe como pasa de un valor positivo a un valornegativo de voltaje, en un momento determinado pasa por cero, ajuste lentamente elpotenciómetro hasta llegar al valor de cero, vaya disminuyendo el rango del voltímetrohasta la mínima escala para asegurarse de tener un valor de cero.

10.Deje la escala del voltímetro en 200 o 300mv, con cuidado y sin dejar caer de una vezlas pesas, vaya colocando en la viga en voladizo pesos en pasos de 0.2Kg y anote elvalor de voltaje obtenido en la primera columna DMS 1 de la Tabla 4.1.

11.Al terminar las mediciones, apague la fuente de alimentación y desconecte parte delcircuito para medir correctamente con el Ohmetro la resistencia del potenciómetro debalance=_________Ω (recuerde después volver la escala a voltios).

Peso Kg DMS 1 (V) DMS 2 (V) DMS 3 (V) DMS 4 (V)0

0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

Tabla 4.1. Datos para cada galga.


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12.Para conectar el circuito nuevamente y luego repetir las mediciones con la DMS 2, esnecesario desconectar la DMS 1 y ahora será la conexión con la DMS 2 y el resistor fijode 365Ω superior y el terminal positivo del amplificador de instrumentación irá a estaconexión, lo demás no presenta cambios.

13.Rebalancee el puente por medio del resistor variable de 100K cuando la viga no sostieneningún peso.

14.Realice todas las mediciones que se le solicitan en la Tabla 4.1 para DMS 2 y anote elvalor del potenciómetro de balance=_________Ω.

15.Haga un procedimiento similar con la DMS 3, el puente se completará con el resistor fijode 365Ω superior, recuerde rebalancear el puente. Llene la columna DMS 3 y anote elvalor del potenciómetro de balance=_________Ω.

16.Para la DMS 4 se usará el resistor fijo de 365Ω inferior como la DMS 1, rebalancee elpuente, termine de llenar la Tabla 4.1 en la columna DMS 4 y anote el valor delpotenciómetro de balance=_________Ω.

Nota: Recuerde que la galga extensiométrica es capaz de detectar cambios en el material en elque se encuentre pegada, por medio de estiramiento que no puede ser percibido a simple vista.Al ejercer una fuerza sobre la barra (Por ende se aplica una torca1) se produce un estiramientominúsculo en el material, ese estiramiento que para nuestros sentidos es imperceptible, lopueden percibir las galgas extensiométricas, eso se aprovecha en este sensor para medicionesque tengan que ver con la fuerza como tensión, peso, torca, etc.

PARTE II. Medición con un semipuente de galgas.

17.Arme el semipuente con las galgas 1 y 3 como se muestra en la Figura 4.9.

Figura 4.9. Conexión de medio puente con galgas 1 y 3.

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.


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18.Rebalancee el puente por medio del resistor variable de 100K cuando la viga no sostieneningún peso.

19.Realice todas las mediciones que se le solicitan en la Tabla 4.2 para DMS 1-3 y anote elvalor del potenciómetro de balance=_________Ω.

20.Desconecte las galgas 1 y 3, conecte ahora la 2 y la 4 al amplificador deinstrumentación, rebalancee el puente, termine de llenar la Tabla 4.2 en la columnaDMS 2-4 y anote el valor del potenciómetro de balance=_________Ω.

Peso Kg DMS 1-3 (V) DMS 2-4 (V)0

0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

Tabla 4.2. Datos de semipuentes.

PARTE III. Medición con un puente completo de galgas.

21.Arme el puente completo de galgas como se muestra en la Figura 4.10.

Figura 4.10. Circuito de puente completo.


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22.Rebalancee el puente, llene la Tabla 4.3 y anote el valor del potenciómetro debalance=_________Ω.

Peso Kg Voltaje de salida0

0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

Tabla 4.3. Datos de puente completo.

23.Apague y desconecte el equipo.

PARTE IV. Calibración del acondicionador de señal y obtención de la curvacaracterística Fuerza/tensión salida de equipo Veneta

24.Conecte la alimentación de la tarjeta de +/-12 V y GND a la fuente.

25.Conecte con el cable DIN el transductor de la unidad de peso a la tarjeta.

26.Encienda la fuente de alimentación.

27.A continuación se regulará la tensión de excitación, para ello mida con el voltímetroentre el borne 1(+VREF) y GND, si el valor no da exactamente 8V, regule con undestornillador en la parte trasera de la tarjeta el trimmer RV1 hasta obtener 8V exactos enel voltímetro.

28.Para regular el offset conecte el voltímetro digital en el borne 7 (OUT) y GND, en estemomento que la unidad de peso no contiene ninguna carga se debería obtener un valorde 0 V, sino es así regule el valor con el trimmer RV2.

29.Para calibrar la escala del acondicionador a 8V, se necesita cargar a la unidad de pesocon el peso máximo de 20Kg, pero debido a que no se cuenta con un peso patrón deeste valor y que el sensor es lineal lo haremos con una fracción del valor, así que carguela unidad de peso con los 3Kg que forman todas las pesas Veneta y agregue una de laspesas de 2Kg que utilizó en las partes anteriores para completar 5Kg, entonces si para20Kg deberíamos obtener 8V exactos a la salida, para 5Kg deberíamos obtener 2V; sino


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es así regule el trimmer RV3 hasta que se lea esta tensión.

30.Ya con el acondicionador del equipo calibrado, cargue la unidad de peso con los pesosque se indican en la Tabla 4.4 y mida el voltaje de salida

Peso Kg Vout0

0.250.50.751.01.251.51.752.02.52.753.0

Tabla 4.4. Datos de la unidad de peso.

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 4.1 y 4.2. Comente sobre la comparación

4. Compare las gráficas de las Tablas 4.2 y 4.3. Comente sobre la comparación.

5. ¿Qué puede decirse sobre el balanceo del puente para una galga, medio puente y puentecompleto?

6. Calcule la linealidad y las rectas óptimas derivadas de los datos obtenidos, concluya alrespecto.

1. Investigue sobre otro tipo de trasductores de fuerza.


Análisis de Resultados

Investigación Complementaria

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• Lucas Nülle. (s,f). Medición con galgas extensiométricas. IMT 2. Num. De Ref: SO 5157-2N.

• Elettronica Veneta. (s.f). Transductor de Fuerza Módulo G25/EV.

EVALUACIÓN

% 1-4 5-7 8-10 Nota

CONOCIMIENTO 25%Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos

Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos

Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos

APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO

70%Tiene dificultades para:- Experimentar y Analizar los gráficospara una galga- Experimentar y analizar los gráficospara dos galgas- Experimentar y analizar los gráficospara cuatro galgas

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

Realiza correcta y completamente todos los análisis solicitados.

ACTITUD 2.5%Es un observador pasivo.

Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con sucompañero.

Participa propositiva e integralmente en toda la práctica.

2.5%Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos

Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado.

Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.

TOTAL 100%

Hoja de cotejo: 4

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Docente: GL: Fecha:

Máquina No:


Bibliografía

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