GALGAS EXTENSOMÉTRICAS APLICADOS A SENSORES DE...

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO

1458 ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM

GALGAS EXTENSOMÉTRICAS APLICADOS A SENSORES DE PRESIÓN BAJO

CAMPOS MAGNETICOS

José Guadalupe Ibarra Escalante, Eric Secundino Palma División de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Querétaro,

Av. Tecnológico s/n Esq. M. Escobedo Col. Centro, 76000 Querétaro, Querétaro. Teléfono (442) 2274400. Fax: 2169931.

[email protected] , [email protected]

RESUMEN Actualmente existen galgas extensométricas comerciales diseñadas para soportar campos magnéticos, pero no se ha probado su eficacia en celdas de carga cuando estas son sometidas a efectos combinados de campo magnético, temperatura y fatiga. En esta investigación estudiamos la viabilidad de usar galgas extensométricas pegadas a una celda de carga, diseñada para soportar una carga oscilante de 0 a 20 Toneladas durante 109 ciclos, sumergida además en un baño de aceite de 120°C y a un campo magnético constante de 1 Tesla. Los resultados muestran que es posible la lectura de presiones bajo estas condiciones, siempre que la temperatura y el campo magnético se mantengan constantes ya que en caso de existir variaciones deberán utilizarse curvas de calibración esto aplica solo para cambios por temperatura, ya que para cambios en el campo magnético deberá esperarse a que este campo se estabilice antes de aplicar factores de corrección. ABSTRACT

Actually strain gages that support magnetic fields already exist and can be find it. But they had been tested their efficiency on load cells under a combination of conditions has magnetic field, high temperature and fatigue. In this investigation we study the viability of use this strain gages stuck in a load cell, designed to support a weigh that oscillates from 0 to 20 tonne over 109 cycles, black on oil at 120°C and a magnetic field of 1 Tesla. The results show that it is possible to sense under these conditions, but the temperature and the magnetic field must be steady because un case of exist some changes on the temperature it will be necessary to use some factor correction in case that the magnetic field change you must wait that the magnetic field stabilizes and after that use some factor correction.

NOMENCLATURA Galgas extensométricas: Celda de carga: Curvas de calibración: INTRODUCCIÓN

Esta investigación forma parte de una de las tres líneas de investigaciones de un proyecto que tiene como objetivo desarrollar un sensor de presión que resista una carga oscilante de 0 a 20 toneladas, una campo magnético aproximadamente de una tesla, una temperatura constante de 120°C y una fatiga del orden de 109 ciclos. Esta línea de investigación tiene como objetivo estudiar la posibilidad de usar celdas de carga con galgas extensométricas especialmente diseñadas para soportas campos magnéticos. Pero debido a que probar este sensor en el aparato donde se pretende utilizar es en extremo peligroso y costoso se tomo la decisión de diseñar un banco de pruebas donde pudieran controlarse las condiciones a probar y con ello el efecto de cada una de ellas produce de manera independiente y en conjunto sobre la lectura del sensor

DISEÑO EXPERIMENTAL

Galga extensométrica



De acuerdo a Vishay la galga extensométrica que soportaría esas condiciones sería una galga para campo magnético modelo H06A-AC1-125-700 que cuenta con las siguientes características [1] y dimensiones (Figura 1): 1.- Esta galga soporta un campo magnético de 50 000gauss (5 Teslas) 2.- Limite de temperaturas de -190ºC a 200ºC 3.- Para obtener la vida infinita las deformaciones deben mantenerse en un rango menor de ±1500 µ deformaciones o 2700 µ deformaciones.

Figura 1. Dimensiones generales de la galga. Para la lectura de las galgas se utilizo el colector de datos modelo Vishay P3 el cual es puede tomar una lectura cada segundo y almacenar datos. Celda de Carga La celda de carga es el elemento mecánico (Figura 2) donde estarán pegadas las galgas y que le trasmite la deformación que esta sufre por la carga a las galgas. Para obtener un ciclo de fatiga de 109 ciclos por parte de las galgas se debe permitir como máximo 2700 micro deformaciones, por lo que el elemento mecánico se diseño para no debe deformase mas de lo que la galga extensométrica permite.

Figura 2. Dibujo de detalle de la celda de carga.

Banco de Pruebas El banco de pruebas se puede dividir en dos conjuntos el primer conjunto es la maquina universal (Figura 3), la cual puede usar como accesorio la bobina generadora del campo magnético (Figura 11), en esta se monta la celda de carga para calibrarla y verificar si durante las pruebas no sufre algún daño, también para medir el efecto aislado del campo magnético sobre la lectura del las galgas extensométricas. El segundo conjunto consta tiene el fin de generar todas las condiciones al mismo tiempo y el efecto de fatiga durante 109 ciclos, este sistema consta del marco de pruebas (Figura 5), donde se monta la celda de carga y alrededor de ella se pone la bobina generadora del campo magnético (Figura 11), sobre este conjunto se monta el gato hidráulico (Figura 10) el cual genera la carga y todo el conjunto anterior se sumerge en baño de aceite previamente calentado con un equipo multiflama (Figura 8) y la temperatura de 120 C mantenida por el termostato (Figura 7).



El objetivo del banco de pruebas es simular las condiciones de temperatura, carga, campo magnético y fatiga al que estarán sometidos los sensores, y estudiar los fenómenos que estos causan sobre la lectura de las galgas extensométricas tanto su efecto aislado, como combinado. El banco de pruebas cuenta con los siguientes elementos (Ver figura 3-11):

Figura 3. Máquina Universal de 50 Toneladas.

Descripción: Maquina de ensayos destructivos de 0 a 50 toneladas, utilizada para generar la curva de calibración (masa-deformación) de la celda de carga y para verificar el correcto funcionamiento de la misma después de cada prueba.

Figura 4. Gaussómetro.

Descripción: Equipo para revisar el campo magnético generado por la bobina.

Figura 5. Marco de pruebas.

Descripción: Marco donde se hizo la prueba de fatiga de 109 ciclos.



Figura 6. Baño de aceite.

Descripción: Recipiente abierto lleno de aceite donde se sumergió el marco de pruebas para la prueba de fatiga

Figura 7. Sistema de regulación de temperatura.

Descripción: Termostato programable con el que se controla las resistencias que mantienen la temperatura del aceite.

Figura 8. Equipo multiflama.

Descripción: Sistema de calentamiento del aceite.



Figura 9. Sistema de agitación de aceite.

Titulo repetido en la fotografía.

Descripción: Motor acoplado a un paleta de agitación la cual homogeniza la temperatura del aceite.

Figura 10. Gato hidráulico de 50 toneladas.

Descripción: Sistema que genera la carga de las 40 Ton durante la prueba de fatiga

Figura 11. Bobina generadora de campo magnético.

Descripción: Electroimán de 220 V, el cual genera el campo magnético.

METODOLOGÍA DE PRUEBAS UTILIZADA PARA LA CELDA DE CARGA 1.- Curva de calibración inicial peso- µ deformaciones.



a) Realizar pruebas en máquina universal con carga controlada hasta llegar a 40 toneladas y graficar la curva peso- µ deformaciones, a temperatura ambiente.

b) Tomar lectura de µ deformaciones en intervalos de 10 toneladas hasta llegar a una carga de 40 toneladas. c) Retirar carga de 40 toneladas hasta 0 d) Verificar si al quitar la carga la lectura de de las galgas regresa es igual a cero. e) Si la lectura fuera cero continuar con la siguiente prueba. Si no, se concluye que la celda de carga se

deformo mas haya de su limite elástico o la galgas extensométricas sufrieron un daño permanente. 2.- Curva de calibración peso- µ deformaciones con campo magnético a temperatura ambiente.

a) Realizar pruebas en máquina universal con carga controlada hasta llegar a las 40 toneladas y graficar su la curva peso- µ deformaciones en intervalos de 5 Ton, con un campo magnético de 330 mili-Teslas a temperatura ambiente.

b) Retirar carga de 40 toneladas hasta 0, manteniendo el campo magnético. c) Verificar si al quitar la carga y el campo magnético la lectura de µ deformaciones es igual a cero. d) Si la lectura fuera cero continuar con la prueba, caso contrario el campo magnético daño la galga

extensométrica. 3.- Curva de calibración temperatura- µ deformaciones

a) Con la celda de carga sumergida en el baño de aceite, aplicar una carga de 40 toneladas con una temperatura de 120°C.

b) Tomar lectura de µ deformaciones con carga de 40 toneladas. c) Retirar carga de 40 toneladas hasta 0 d) Verificar si al quitar la carga la lectura de µ deformaciones es igual a cero.

4.- Repetir prueba 1 para verificar que la celda de carga no sufrido daños por la temperatura 5.- Con base a los resultados anteriores se procedió a iniciar con la prueba con condiciones múltiples, se aplico una carga de 40 toneladas, con temperatura de 120°C y campo magnético 1 Tesla. 6.- Repetir prueba 1 para verificar que la celda de carga no sufrido daños por la combinación de condiciones. 7.- Repetir 149 veces la prueba 5 con una carga de 0 a 40 toneladas, que es equivalente a 109 ciclos para una carga oscilante de 0 a 20 toneladas. Esto de de acuerdo a la regla de Miller [2]. 8.- Repetir prueba 1 para verificar que la celda no se dañada por las pruebas de fatiga.

RESULTADOS EXPERIMENTALES 1.- Curva de calibración inicial peso- µ deformaciones. Se realizaron pruebas en la máquina universal de 50 toneladas. La celda de carga en la máquina universal fue llevada hasta una carga de 40 toneladas, registrando una lectura de 795 µ deformaciones. Se tomó lectura a cada 10 toneladas, la curva de calibración peso- µ deformaciones resultó como se muestra en la siguiente gráfica (Figura 12).



Figura 12: Curva peso- µ deformaciones.

Dentro de lo esperado la celda tuvo un comportamiento lineal como lo hace notar la gráfica. A cada carga aplicada corresponde una determinada µ deformaciones. 2.- Curva de calibración peso- µ deformaciones con campo magnético a temperatura ambiente. Se procedió a someter la celda de carga a campo magnético de 330 miliTeslas y ver el comportamiento de ésta a cargas con cargas de 40, 30, 20 y 10 toneladas durante un intervalo de tiempo. A continuación se muestra la gráfica del comportamiento de la lectura en segundos- µ deformaciones (Ver Figura 13).

Figura 13. Curva tiempo- µ deformaciones.

Al aplicar el campo magnético las lectura que arroja el colector de en el lector de galgas, fue afectada en cada una de las cargas respectivas, pero pasado un tiempo después de dejar de aplicar el campo magnético, las lecturas de mostraban una tendencia de regreso a la medida inicial. Ya que las pruebas anteriores se hicieron con un tiempo de exposición a un campo magnético muy corto, se decidió hacer una segunda prueba para ver si después de cierto tiempo de estar sometidas las galgas extensométricas a un campo magnético la lectura se estabilizaba. Además se reviso si el efecto de temperatura debido al calentamiento de la bobina generadora del campo magnético estaba influyendo en la lectura. A continuación se muestra la grafica de tiempo contra µ deformaciones aplicando un campo magnético constante y sin carga:



Figura 14. Curva tiempo contra µ deformaciones aplicando un campo magnético constante y sin carga

En el experimento anterior se fue monitoreando al mismo tiempo la temperatura de la celda a lo largo del tiempo (Figura 15).

Figura 15. Curva temperatura (F0) contra tiempo aplicando un campo magnético constante y sin carga.

Se ve claramente que a lo largo del tiempo la medición de µ deformaciones se estabiliza una vez que han pasado a los 450 segundos. La curva de calibración peso- µ deformaciones (Figura 16) que se presento después de haber aplicado el campo magnético (Ver figura 16). A pesar de que la curva sigue mostrando una tendencia lineal, esta se ha visto modificada comparándola con la primera (Figura 12) ya que las 800 µ deformaciones no corresponden a las 40 toneladas como en la primer curva de calibración.



CURVA DE CALIBRACIÓN

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 10 20 30 40

CARGA (TONELADAS)

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

C3

Figura 16. Curva de calibración peso- µ deformaciones después del campo magnético.

3.- Curva de calibración temperatura - µ deformaciones La celda de carga sin carga se sumergió en aceite donde se calentó de manera controlada hasta llegar a la temperatura de 120°C obteniendo las µ deformaciones tomando lecturas en intervalos de un 1°C (Figura 17).

T1

0

50

100

150

200

250

300

350

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Temperatura

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

T1

Figura 17. Curva de calibración temperatura - µ deformaciones. La curva peso - µ deformaciones (Figura 18) presentada después de aplicar la temperatura es la siguiente:




0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40

CARGA (TONELADAS)

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

C2

Figura 18. Curva peso - µ deformaciones después de la prueba de 120°C.

Una vez más se repite la tendencia lineal, y los valores corresponden a los de la prueba anterior. 4.- Curva de calibración con campo magnético, temperatura de 120°C y carga constante. Aquí se aplican tres condiciones simultáneamente la temperatura a 120°C, el campo magnético y la carga, para esto se sumerge la celda de carga en el baño de aceite a 120°C y se aplica en lapsos de 5 segundos el campo magnético a cuatro diferentes niveles de cargas de 40, 30, 20 y 10 toneladas.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80 100

TIEMPO (SEGUNDOS)

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

40TON

30TON

20TON

10TON

Figura 19. Curva de calibración con campo magnético, temperatura de 120°C y carga constante.

Al aplicar el campo magnético la lectura en el colector de datos de las galgas extensométricas se vio afectada, pero después de dejar de aplicar el campo magnético, las lecturas mostraban una tendencia de regresar a la normalidad. A pesar de aplicar carga, campo magnético y temperatura de 120°C la gráfica (Figura 20) sigue mostrando una tendencia lineal como se ha presentado en la prueba anterior. En este caso las 40 toneladas equivalen a 2566 µ deformaciones.




0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 10 20 30 40

CARGA (TONELADAS)

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

C4

Figura 20 Curva peso - µ deformaciones después de la prueba con campo magnético, temperatura de 120°C y carga

constante. 5.- Curva de calibración con campo magnético, temperatura de 120°C, carga (Repetir la prueba 149 veces) Se procedió como en la prueba anterior, pero esto esta se repitió 149 veces. Al final de la prueba de fatiga se procedió a hacer nuevamente la curva peso - µ deformaciones (Figura 21.) los resultados obtenidos después de haber aplicado todas las condiciones, de temperatura, campo, carga y fatiga son los esperados según las pruebas anteriores, sin embargo estas últimas no coinciden con la curva de calibración inicial.


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 10 20 30 40

CARGA (TONELADAS)

mic

roD

EF

OR

MA

CIO

NE

S

C5

Figura 21. Curva peso - µ deformaciones después de la prueba con campo magnético, temperatura de 120°C y carga

constante después de repetirse 149 veces.

CONCLUSIONES



1.- El campo magnético afecta la lectura de la galga, aunque puede confundirse con el calentamiento que produce al circular a través de la celda de carga, pero después de un tiempo tiene una tendencia de regresar a su lectura inicial. Por tanto, si la lectura no tiene que ser en continuo y es tolerable que sea por intervalos, se puede compensar el efecto del cambio de temperatura. Sin embargo, el efecto del campo magnético se debe compensar en tiempo real dado que su cambio puede ser muy rápido y frecuente. 2.- Las últimas curvas de calibración peso - µ deformaciones coinciden todas menos la primera esto puede deberse a que se acento el pegamento de las galgas extensométricas después del primer calentamiento. 3.- La curva por temperatura no es lineal. Interpretación de las conclusiones. Si consideramos que la diferencia entre la primera curva de calibración y las demás se debió a algún error de lectura en la máquina universal o a algún tipo de acomodo de las galgas en la celda. Es decir si consideramos que esa diferencia no refleja algún problema realmente relevante, entonces: La celda de carga si permite leer valores de fuerza de apriete bajo condiciones normales de operación del transformador y si sobrevive a estas condiciones durante del tiempo de vida útil del transformador. Sin embargo, la precisión de las lecturas se ve afectada por la temperatura y por la intensidad del campo magnético. La afectación por temperatura puede ser “calibrada”, es decir que se puede conocer su valor en función de la temperatura y por tanto se puede compensar de manera manual o automática mediante procesamiento de la señal. La afectación por campo magnético también se podría calibrar. Sin embargo, como la variación del campo magnético puede ser muy rápida, será más difícil compensarla en tiempo real. Probablemente requerirá una compensación con un ligero retardo de procesamiento. Eso haría que las lecturas en lugar de ser continuas fuesen a intervalos, lo cual probablemente no tenga ninguna importancia práctica.

REFERENCIAS

[1] VISHAY Fatigue of Strain Gages (TN-508) [2] Machinerys Hand Book 27 Edition

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