La tecnología extensométrica

Una galga extensométrica (strain gauge) es un elemento cuya resistencia eléctrica varía de forma proporcional a la deformación a la que se somete. Aplicando varias galgas a un elemento elástico calibrado y conectándolas en configuración de puente de Wheatstone, se obtiene una señal eléctrica proporcional a la fuerza, al par o al peso aplicados. Este principio, adoptado por las células de carga y por los transductores de par, garantiza una elevada linealidad, repetibilidad y estabilidad en el tiempo, y es hoy el estándar para la medición precisa de las magnitudes mecánicas.

La señal del puente, muy pequeña, es amplificada, linealizada y convertida por la electrónica del instrumento en un valor numérico, con posibilidad de memorización, comparación con umbrales de tolerancia y transmisión a un PC. La calibración con certificado trazable asegura la validez metrológica de la medición.

Aplicaciones: fuerza, par y peso

La tecnología extensométrica se emplea en una amplia gama de instrumentos: dinamómetros y transductores de fuerza para ensayos de tracción y compresión, torsiómetros para la medición de par en cierres y uniones roscadas, células de carga para el pesaje y los bancos de ensayo. En todos los casos la ventaja es la medición directa y repetible de la magnitud mecánica, con la posibilidad de capturar su valor de pico y de documentar los datos para el control de calidad.

En el portfolio de RODER, la medición de par con tecnología extensométrica está representada por los torsiómetros para tapones Shimpo, empleados para el control del apriete de los cierres en los sectores farmacéutico, alimentario y cosmético.

El puente de Wheatstone

Las galgas de un transductor se conectan en un circuito de puente de Wheatstone, típicamente con cuatro ramas activas. Cuando el elemento elástico se deforma, algunas galgas se alargan y otras se acortan: el desequilibrio del puente genera una tensión de salida proporcional a la deformación y, por tanto, a la fuerza o al par aplicados. La configuración en puente completo ofrece la doble ventaja de maximizar la señal útil y de compensar automáticamente los efectos de la temperatura y de las solicitaciones no deseadas, mejorando la estabilidad y la precisión de la medición.

Células de carga y transductores de par

La célula de carga es el transductor extensométrico dedicado a la medición de fuerza y peso; el transductor de par es su equivalente para el momento torsor. En ambos casos, el diseño del elemento elástico (a flexión, a cortante, a torsión) determina el campo de medida, la rigidez y la capacidad de sobrecarga. Los transductores pueden estar integrados en el instrumento — como en los torsiómetros de sobremesa — o ser externos e intercambiables, para cubrir varios alcances con una única base de visualización, como en el caso del torsiómetro portátil con transductor externo.

Ventajas y límites de la tecnología extensométrica

La tecnología extensométrica ofrece elevada linealidad y repetibilidad, excelente estabilidad en el tiempo, una amplia gama de alcances y la medición directa de la magnitud mecánica. Como toda técnica de medición, exige también algunas precauciones: la protección frente a la sobrecarga para no dañar el transductor, el control de las condiciones de temperatura y el respeto de las modalidades de aplicación de la carga. El recurso a modos de captura de pico (Peak, First Peak) y a una frecuencia de muestreo adecuada permite medir correctamente también los fenómenos transitorios rápidos.

Calibración y trazabilidad

Para garantizar la validez metrológica, los transductores extensométricos deben calibrarse periódicamente comparándolos con patrones de referencia. Un certificado de calibración trazable (por ejemplo NIST) documenta la precisión del instrumento y asegura su trazabilidad a los patrones nacionales, requisito indispensable cuando las mediciones tienen valor contractual o forman parte de un sistema de calidad certificado.

De la galga al valor medido

El recorrido de la señal en un instrumento extensométrico está bien definido. La fuerza o el par aplicado deforma el elemento elástico; las galgas extensométricas traducen la deformación en una variación de resistencia; el puente de Wheatstone convierte esta variación en una pequeña tensión; un amplificador aumenta su nivel; un convertidor analógico-digital la digitaliza; por último, el microprocesador la lineariza, aplica la calibración y muestra el valor en la unidad de medida elegida. Cada etapa contribuye a la precisión global, motivo por el cual la calidad de la electrónica importa tanto como la del transductor.

Aplicaciones por sector

La medición extensométrica de fuerza, par y peso se emplea en el control de calidad y en la investigación y desarrollo de casi todos los sectores manufactureros: en el packaging para el control de los cierres, en la mecánica para los pares de apriete, en el sanitario para las fuerzas de activación de los dispositivos, en la electrónica para los ensayos sobre conectores. La misma tecnología es la base de las básculas industriales y de los bancos de ensayo, lo que confirma su versatilidad.

Cómo elegir el transductor

La elección del transductor parte de la magnitud que se desea medir (fuerza o par) y del campo de medida: conviene seleccionar un alcance que sitúe los valores típicos de ensayo en la parte alta del campo, para maximizar la resolución, previendo un margen de sobrecarga adecuado. Deben considerarse después los modos de medición necesarios (Peak, First Peak, etc.), las interfaces de comunicación y los requisitos de calibración. Cuando se necesitan varios alcances, un sistema con transductor externo intercambiable ofrece la máxima flexibilidad.

Compensación de la temperatura y estabilidad

Un aspecto determinante para la precisión de los transductores extensométricos es la compensación de la temperatura. Las variaciones térmicas influyen tanto en la resistencia de las galgas como en las propiedades del elemento elástico; la configuración en puente completo, con galgas dispuestas simétricamente, anula en gran medida estos efectos y mantiene estable la medición al variar las condiciones ambientales. A ello se añaden la elección de materiales de bajo coeficiente térmico y la caracterización durante la calibración, que permiten declarar el error residual debido a la temperatura. El resultado es una medición fiable y repetible incluso en entornos industriales no climatizados, requisito esencial cuando los datos tienen valor contractual. Gracias a estas características, la tecnología extensométrica sigue siendo la referencia para la medición precisa de fuerza y par en el control de calidad.

Para saber más

La sección se ampliará con otras tecnologías e instrumentos de base extensométrica a medida que se incorporen al portfolio de RODER.