2.2.1. Mediciones mecánicas

Conceptos generales de medida mecánica industrial

Las mediciones mecánicas constituyen un pilar fundamental en el ámbito del control de procesos industriales y la robótica automatizada. Estas variables abarcan la posición geométrica, el desplazamiento lineal o angular, la velocidad, la aceleración y las fuerzas o pares de torsión mecánicos a los que se someten los componentes físicos de una máquina. Para asegurar el funcionamiento preciso y seguro de una línea de ensamblaje, una grúa puente o un brazo robótico, el armario de automatismos debe procesar señales procedentes de transductores que monitorizan de manera constante estas condiciones físicas.

El montaje y conexionado de estos transductores requiere un conocimiento riguroso de sus principios electromecánicos de funcionamiento. Un error en la selección del tipo de sensor, un trazado defectuoso del cableado o un apantallamiento inadecuado pueden introducir señales de ruido espurias que comprometan la precisión de la lectura analógica o provoquen fallos catastróficos por vibraciones no detectadas. La norma UNE-EN ISO 12100 de seguridad de las máquinas recalca la importancia del diseño correcto de los sistemas de mando para evitar condiciones de peligro causadas por fallos en los sistemas de detección mecánica.

Galgas extensiométricas y células de carga

El método clásico y más extendido para la medición de deformación, fuerza, peso y par es la galga extensiométrica. Su principio de funcionamiento físico se basa en el efecto piezoresistivo: cuando un conductor o semiconductor metálico experimenta un estiramiento o compresión mecánica, su longitud geométrica ($L$) y su área transversal ($A$) varían. Esto provoca un cambio proporcional directo en su resistencia eléctrica ($R$), determinado por la conocida fórmula de resistividad: $R = \rho \cdot \frac{L}{A}$.

Debido a que estas variaciones de resistencia son extremadamente pequeñas (del orden de microohmios), se hace necesario el uso de configuraciones de circuitos en Puente de Wheatstone. Este circuito permite medir diferencias de potencial muy pequeñas a partir de una tensión de excitación estable. Las células de carga industriales integran internamente estas galgas configuradas en puente completo (cuatro galgas activas) y se cablean a acondicionadores de señal especializados capaces de amplificar la salida (típicamente del orden de milivoltios por voltio, mV/V) y transformarla en una señal estándar de lazo de corriente de 4-20 mA DC.

LVDT (Transformador Diferencial de Variación Lineal)

Para la medición precisa de desplazamientos lineales sin rozamiento físico directo (lo que garantiza una vida útil teórica infinita al evitar el desgaste mecánico), se emplea el LVDT. Consiste en una estructura tubular con un devanado primario central y dos devanados secundarios simétricos situados a ambos lados de este, arrollados sobre una bobina hueca. Un núcleo ferromagnético móvil desliza libremente por el interior del cilindro, acoplado mecánicamente al objeto cuyo desplazamiento se desea medir.

Al alimentar el devanado primario con una tensión alterna estable, se induce flujo magnético en los secundarios. Si el núcleo está centrado (posición nula), las tensiones inducidas en ambos secundarios son idénticas y opuestas, resultando una tensión de salida neta igual a cero. En el momento en que el núcleo se desplaza hacia un lateral, el acoplamiento magnético aumenta en un secundario y disminuye en el otro, induciendo una tensión de salida proporcional al desplazamiento físico y con fase indicativa del sentido de movimiento. Los módulos de instrumentación en el cuadro eléctrico acondicionan y rectifican esta señal alterna a un formato analógico DC.

Encoders ópticos y magnéticos

Los encoders son sensores rotativos que convierten la posición angular de un eje en código binario o trenes de pulsos digitales. Existen dos familias principales con implicaciones de control muy diferentes:

Encoders Incrementales: Generan una cantidad fija de pulsos por vuelta mediante canales ópticos desfasados 90 grados (Canales A y B) y un pulso de referencia por vuelta completa (Canal Z). El PLC debe contar activamente estos pulsos para deducir la posición actual. Tienen el inconveniente de perder la posición física real al desconectar la alimentación del cuadro de control, requiriendo realizar una rutina de búsqueda de cero o referenciado en cada arranque de la máquina.

Encoders Absolutos: Incorporan discos codificados con múltiples pistas concéntricas grabadas en códigos especiales (típicamente código Gray para evitar errores de lectura por cambios multipista simultáneos). Proporcionan una posición única e inequívoca para cada punto angular del eje. Esto significa que si el cuadro de distribución pierde la energía y el motor es desplazado de forma manual, el encoder absoluto leerá la posición real exacta al restablecerse el suministro, sin requerir rutinas de puesta a cero.

Cálculo del puente de Wheatstone

En el acondicionamiento de galgas extensiométricas de cuarto de puente, la tensión de salida ($V_o$) está determinada por la tensión de excitación ($V_s$), la resistencia nominal de la galga ($R$), el cambio de resistencia inducido por la deformación ($\Delta R$) y el factor de galga ($GF$). La ecuación básica del puente desequilibrado es:

$$V_o = V_s \cdot \frac{\Delta R}{4 \cdot R} = V_s \cdot \frac{GF \cdot \epsilon}{4}$$

Donde $\epsilon$ es la deformación unitaria ($\Delta L / L$). La calibración fina se realiza en el módulo amplificador para compensar la impedancia del cable conductor de alimentación.

# Script para simular la tensión de salida analógica de un puente

# de Wheatstone con una galga extensiométrica activa.

def calcular_voltaje_salida(v_excitacion, r_nominal, delta_r):

    """

    Calcula el voltaje de salida (Vo) en milivoltios a partir de la tensión de

    excitación (Vs) en voltios y el desequilibrio en ohmios de una rama.

    """

    # Ecuación del cuarto de puente de Wheatstone

    v_salida_v = v_excitacion * (delta_r / (4.0 * r_nominal))

    # Convertir a milivoltios para visualización

    v_salida_mv = v_salida_v * 1000.0

    return v_salida_mv



# Configuración típica: Excitación de 10V, galga de 120 ohmios, variación de 0.15 ohmios

vo_mv = calcular_voltaje_salida(v_excitacion=10.0, r_nominal=120.0, delta_r=0.15)

print(f"? Voltaje analógico de salida en el puente: {vo_mv:.3f} mV")