ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS PARA MEDIR PRESIÓN 

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico. Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: 

• Magnéticos 
• Capacitivos. 
• Resistivos. 
• Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. 
• Piezoeléctricos. 
• Piezoeléctricos.

TRANSDUCTORES MAGNÉTICOS 

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. 

a) Transductores de inductancia variable en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que. al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción. 

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo está en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas. 

Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias. Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de + 1 %.

b) Los transductores de reluctancia variable consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con 10 cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por 10 tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil. 

El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por 10 cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de + 0,5 %. 

Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral...) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

TRANSDUCTORES CAPACITIVOS

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna. 

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por 10 que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados. Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.

GALGAS EXTENSOMÉTRICAS

Estas están asociados a características geométricas, son usadas para medir esfuerzos y deformación. Las propiedades eléctricas de los materiales usados para deformación tiene propiedades eléctricas despreciables, por lo cual los materiales de las galgas de capacitancia pueden ser calibrados según los requerimientos mecánicos. Esto les permite tener mejores calibraciones respecto de las de tipo eléctrico. 

corresponde a la región activa o longitud de grilla sensible al esfuerzo de una galga. Los codos y las almohadillas de soldadura no son considerables sensibles a los esfuerzos, todo esto debido a que poseen una gran sección transversal y a que tienen una baja resistencia eléctrica. para poder satisfacer las necesidades o requerimientos de análisis de los esfuerzos, podemos encontrar Galgas con longitudes que van desde los 0.2 mm. hasta los 100 mm. 

Concentración del esfuerzo 

Uno de los factores más importantes para determinar un óptimo rendimiento de una Galga Extensiométrica es su longitud, Por ejemplo, cuando se desea determinar las medidas de esfuerzo sobre alguna pieza o alguna estructura crítica de una máquina, estas medidas se deben realizar en las partes donde se concentran los mayores esfuerzos, que generalmente son aquellas que poseen un mayor grado de fatiga. las galgas Extensiométricas tienden a integrar o a promediar el área cubierta por la grilla, ya que este promedio, el de la distribución de un esfuerzo no uniforme es siempre menor que el máximo. Una Galga Extensiométrica que es más larga que la región de esfuerzo, indicará una magnitud de esfuerzo muy bajo. 

Para tener en cuenta, como regla general y en la medida de lo posible, la longitud de una Galga no debe ser mayor a la dimensión de la causa del esfuerzo, para que dicha medición sea aceptable. Cuando la Causa del esfuerzo es pequeña (del orden de los 13 mm.), según la regla general, se deberían utilizar galgas muy pequeñas y puesto que el uso de éstas trae consigo otra serie de problemas, se tendría que llegar a una relación de compromiso. 

Galgas cortas 

Las Galgas Extensiométricas cuya longitud se encuentra alrededor de los 3 mm. tienden a experimentar un rendimiento un tanto degradado, especialmente lo que tiene que ver con respecto a su máxima elongación, a su estabilidad bajo condiciones de esfuerzo estático y en cuanto a su durabilidad cuando éstas están sometidas a esfuerzos cíclicos alternativos. Cuando cualquiera de estas condiciones hace que se vea disminuida la precisión de la medición en mayor medida que el promedio del esfuerzo, es necesario utilizar una Galga de mayor longitud.

Galgas largas 

Cuando es necesario utilizar este tipo de Galgas, vale la pena mencionar algunas ventajas que se pueden obtener con su uso. Su manipulación es mucho más fácil y hace que su instalación y cableado sea mucho más rápido que el de las Galgas pequeñas. Las Galgas largas tienen un mayor factor de disipación de calor, porque debido a su resistencia nominal tienen menor potencia por unidad de área de grilla. Todas estas consideraciones pueden ser muy importantes a la hora de realizar trabajos con materiales plásticos o algún otro tipo de material que posea pobre disipación de calor. 

Promediación del esfuerzo 

Unas de las aplicaciones de las Galgas extensiométricas largas, es la capacidad de poder determinar los esfuerzos en materiales no homogéneos. Tomando como ejemplo el concreto, en la que podemos encontrar una mezcla de agregados, generalmente piedra, y cemento; cuando medimos los esfuerzos sobre un material de este tipo es aconsejable utilizar una Galga lo suficientemente larga como para abarcar varias piezas de agregado, con el fin de tomar una muestra representativa de los esfuerzos que se estén generando sobre la estructura. Lo que se busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos máximos de esfuerzo generados en la interfaz agregado-cemento. Cuando se desee medir los esfuerzos en este tipo de estructuras no homogéneas, la longitud de la galga debe ser mayor que la longitud de las partículas del material no homogéneo. 

Tratamiento de la señal 

Para tratar la variación de voltaje se utiliza un puente de Wheatstone, que está formado por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. El puente de Wheatstone puede operar en corriente continua y alterna, permitiendo las medidas de diferentes resistencias. La sensibilidad de este elemento depende de cómo está compuesto. De esta manera se puede medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Sin embargo, este método puede tener ciertos errores en su medición que se deben aspectos como: 1. Sensibilidad insuficiente. 2.Los cambios en la temperatura afectan las resistencias y pueden generar cambios bruscos en los valores de las resistencias. 

La forma más común para obtener una señal eléctrica como resultado de una medida utilizando el puente de Wheatstone es mediante el método de deflexión. Este método en vez de valorar el equilibrio del puente, lo que hace es medir la diferencia de tensión entre ambas ramas o la corriente a través de un detector colocado en el brazo central. Para poder utilizar el puente de Wheatstone con las galgas hay que tener ciertos aspectos en cuenta, como por ejemplo, el cableado del puente, muchas veces la galga y el puente no se encentran situados en un mismo lugar por lo tanto las resistencias y los cambios de temperatura de los cables pueden afectar los resultados arrojados, para evitar esto es necesario equilibrar y calibrar el puente, este procedimiento consiste en que no puede haber tensión a la salida del puente y debe hacerse la calibración adecuadamente comprobando que el puente de Wheatstone está arrojando correctamente los resultados.

TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS 

Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 1500 C en servicio continuo y de 2300 C en servicio intermitente. 

Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores.