Galgas Las medidas con galgas extensometricas, se basan en la variación de resistencias que estas experimentan al ser sometidas a una deformación por esfuerzo mecánico. Estas pueden ser fabricadas con materiales conductores o semiconductores. La resistencia eléctrica de un conductor homogéneo depende de su dimensión física y su resistividad, si la resistividad se asume constante, la ecuación siguiente describe la relación entre la deformación y la resistencia eléctrica de la galga extensométrica. Galgas Extensometricas
Galgas Fundamento de las galgas extensomètricas:
El efecto de la variación de la resistencia mecánica con la deformación fue descubierta por Lord Kelvin en 1856. Considerando un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad ?, la resistividad eléctrica del hilo será: Al someter a un esfuerzo mecánico en dirección longitudinal, varían cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor R. cambiando de la siguiente forma:
Galgas Si bien consideramos que la pieza, además de longitud l, también tiene una dimensión transversal t, al ser sometida la pieza a una fuerza longitudinal, varían tanto l como t. La relación entre ambos cambios, viene dada por la ley de Poisson: Donde, µ es el Coeficiente de Poisson y su valor esta entre 0 y 0.5. Para fundiciones maleables es 0.17, para el acero es de 0.303, pata aluminio y cobre es de 0.33. Por otra parte, de la ecuación, podemos notar que para volumen constante, µ debe ser 0.5. El cambio de longitud resultante de aplicar una fuerza F, se da por la ley de Hooke
Galgas Si para un hilo conductor se supone una sección cilíndrica de diámetro D y si el material es isótropo y no se rebasa su límite de elasticidad, tenemos: Por lo tanto, para variaciones pequeñas de la resistencia del hilo metálico, nos queda: En la tabla se describen las características más resaltantes para los dos tipos de galgas extensométricas.
Galgas Una galga en barra alineada en la dirección de la fuerza aplicada. Montaje de Galgas Extensometricas. Cuando la galga, que inicialmente esta en equilibrio con r = R, cambia su valor a r = R+dR se tiene: Sustituyendo dR/R = ke
Galgas De esta manera se logra compensar la temperatura que pueda influenciar sobre la medida. Dos galgas alineadas perpendicularmente entre si.
Galgas Esta configuración de juego de galgas se hace para compensar por temperatura el circuito y aumentar la sensibilidad del mismo. Cuatro galgas orientadas dos en el sentido de la fuerza y dos en sentido de Poisson
Galgas Para compensar por temperatura, además de aumentar la sensibilidad y linealizar, la forma mas común de colocación de las galgas es en un cantilever o una en cada cara a deformar de manera que al expandirse una se contrae la otra. Galgas sobre un Cantilèver
Capacitivo La variación de reactancias de un circuito o componente, ofrecen una forma alterna para medir variables físicas; sea para la medida de desplazamiento lineal o angular. Una desventaja es la no linealidad. Estos sensores se clasifican activos pasivos. Este elemento sensor se basa en el principio de capacitancia, el cual consiste en dos conductores (idealmente paralelos) que se encuentran separados una distancia por medio de un material dieléctrico, que puede ser sólido, liquido, gaseoso o vacío. La relación de capacidad de la carga Q, con la diferencia de potencial V Sensores Magnéticos y de Reactancia Variable
La linealidad del sensor capacitivo depende de la variable en cuestión y si se mide la impedancia o la admitancia del condensador. Esto se puede notar en la ecuación. si varia A o e, la salida será lineal, mientras que si varía d, el resultado será no lineal. Para la variación de d, la capacitancia obtenida viene dada por La sensibilidad en función del desplazamiento es obtenida por la siguiente ecuación. Condensador Variable. Capacitivo
Un ejemplo práctico para medir nivel es utilizar las placas que forma el capacitor sumergidas en el agua y como las constantes dieléctricas del agua (entre 88 a 0ºC hasta 55.3 a 100ºC) y el aire (teóricamente 1) son diferentes. Al aumentar o disminuir el nivel, existirá una contribución de cada capacitancia (aire y agua) formado por variaciones del dieléctrico. Condensador Variable. Capacitivo
Consiste en la unión de dos condensadores, de tal forma que experimenten el mismo desplazamiento entre sus placas pero en sentido opuestos. Condensador Diferencial. Capacitivo
Algunas formas de obtener capacitores diferenciales se muestran a continuación, donde existen placas fijas y placas que se desplazan para dar la variación de carga en el capacitor. Condensador Diferencial. Capacitivo
Magnéticos Un sensor de desplazamiento magnetostrictivo utiliza un elemento ferromagnético para detectar la posición de un magneto que se desplaza a lo largo del sensor Un material experimenta una magnetocostriccion positiva al expandirse al ser magnetizado, contrariamente si se contrae con la aplicación de un campo magnético, tiene magnetocostriccion negativa. Sensor Magnetostrictivos
Magnéticos En la mayoría de los materiales magnéticos, la resistencia decrece con la aplicación de un campo magnético creciente y la magnetización es perpendicular al flujo de corriente. La resistencia decrece hasta que el material alcanza su saturación magnética El cambio de resistencia es máximo cuando el magneto pasa por las proximidad del centro del sensor. La ecuación que describe el comportamiento de la resistencia es la siguiente Sensor Magnetoresistivo
Magnéticos El efecto Hall, es una propiedad que experimenta un conductor al ser afectado por un campo magnético. Un potencial de voltaje VH, llamado voltaje Hall, aparece a través del conductor cuando un campo magnético es aplicado en el mismo ángulo del flujo de corriente El gran número de portadores en un lado del conductor, con respecto al otro lado, causa la diferencia de potencia VH, que es descrito en la siguiente ecuación. Sensor de efecto Hall Donde: VH = Voltaje Hall, KH = Constante de Hall, ß = densidad de flujo magnético, I = Flujo de corriente a través del conductor y z = sección del conductor.
Inductivos Sensores con Reluctancia Variable
La inductancia de un circuito proporciona la magnitud del flujo magnético que se concatena debido a la corriente eléctrica. Cuando se habla de una corriente circulando en el mismo circuito, se llama autoinductancia (L). En caso de circular de un circuito a otro se habla de inductancia mutua. En la ecuación se expresa la inductancia. Sensores Inductivos El flujo magnético esta relacionado con la fuerza magnetomotriz (M) y la reluctancia magnética (R). Como se expresa en la ecuación
La variación de la medida para las figuras a,b,c,e,f, están dadas en función del movimiento del entrehierro, mientras que para d, se da en función del cursor que cambia la espira de la bobina. Inductivos Sensores Inductivos
En una bobina por la cual circula una corriente, la impedancia se ve modificada al introducir una superficie conductora dentro de su campo magnético, esto se debe a la corriente de Foucault y mientras mas cercano este el material de la bobina, mayor será el cambio de impedancia Inductivos Sensores basados en corriente de Foucalt
Un transformador diferencial de variación lineal, se designa por las siglas LVDT (Linear Variable Differenctial Trnasformer) y se basa en el cambio de inductancia mutua entre el primario y los secundarios al desplazarse en su interior un elemento de material ferromagnético que conforma el núcleo del transformador. El voltaje de alimentación del primario, debe ser de corriente alterna. Los dos devanados del secundario se colocan en serie y en contraposición. Inductivos Transformadores diferenciales Con esta configuración el dispositivo tiene resolución infinita y es capaz de medir el desplazamiento en dos sentidos.
Inductivos Transformadores diferenciales El modelo matemático del circuito LVDT se deduce de la figura. y asumiendo una resistencia total del secundario igual a R2=Rb2+R/b2+Rc
Resistivos Sensor de desplazamiento resistivo. Los sensores de desplazamiento resistivos son comúnmente llamados potenciómetros. Un potenciómetro es un elemento electromecánico que posee un conductor eléctrico en contacto con una resistencia sobre la cual se desliza, estableciendo una resistencia de acuerdo a la posición o ángulo
Resistivos Sensor de desplazamiento resistivo. Los potenciómetros, están dividas eléctricamente en dos puntos, establecidos por las escobillas Los potenciómetros idealmente poseen una salida de resistencia que varia linealmente con el desplazamiento de la escobilla sobre la resistencia.
Resistivos Características eléctricas y mecánicas Eléctricas: Terminales Desplazamiento Linealidad Carga Eléctrica. Resolución Manejo de Potencia Coeficiente de temperatura Mecánica: Carga Mecánica Desplazamiento Temperatura Velocidad
Ópticos Sensor óptico. La medición de intensidad del relejo de un haz de luz sobre una superficie, determina algunas propiedades del material. Recientemente se ha descubierto que la medición de la posición de un haz de luz, es un importante método para determinar la distancia a un objeto y/o su velocidad En la figura se muestra el principio de medida de la proximidad de un objeto en función al punto de incidencia del haz reflejado por el objeto sobre una superficie de referencia.
Ópticos Sensor óptico. En la figura se muestra la incidencia del haz de luz sobre la superficie sensora (fotodetector), la máxima sensibilidad se obtiene cuando el haz se encuentra centrado en la posición central (0), y el desplazamiento solo se produce en la dirección indicada (0’)
Ópticos Codificadores Ópticos Un codificador de posición, es un dispositivo discreto, que genera una salida en función de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de posición se clasifican en absolutos e incremental. Codificador óptico lineal absoluto Codificador óptico angular absoluto Codificador óptico angular incremental
Bibliografía
Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega. Barcelona, España. 1993. Pág. 732 John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas Venezuela. 1995. Pag. 285. Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480. Stanley Wolf “Guia para Mediciones Eléctricas y Practicas de laboratorio” Editorial Prentice Hall. Naucalpan de Juarez. México. 1992 Pag. 573. Albert malvino “Principio de Electrónica” Editorial Prentice Hall. Naucalpan de Juarez. México.1991 Pag.967. Fink Donald “Manual de Ingeniería Electrónica” Editorial Mac Graw Hill. Colombia. 1992.
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