WO2004036143A1 - Dendrometro de precision - Google Patents
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- WO2004036143A1 WO2004036143A1 PCT/ES2002/000487 ES0200487W WO2004036143A1 WO 2004036143 A1 WO2004036143 A1 WO 2004036143A1 ES 0200487 W ES0200487 W ES 0200487W WO 2004036143 A1 WO2004036143 A1 WO 2004036143A1
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
- G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
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- G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
- G01B5/0035—Measuring of dimensions of trees
Definitions
- the present invention relates to a dendrometer, that is, to an apparatus for measuring the dimensions of standing trees, in the present case generalized to the measurement of any type of plant and of any of its components, whether the trunk, the leaves, the fruit, etc.
- the dendrometer is determined by a sensor that has to be placed in contact with the plant, a sensor holder through which the sensor is subjected to the aforementioned plant, and an electronics or connection interface of the sensor with the corresponding measurement system.
- the object of the invention is to achieve an optimal control in the dimensional variations of the plant throughout the day, for based on the data obtained to be able to make decisions to improve the yield.
- a solution known and commonly used consists of so-called linear displacement sensors, structured by an annular electromagnetic coil in whose bosom plays a core materialized in a rod that, due to the magnetic field of the coil, is permanently pressed against the surface of the plant, such as against the trunk of a tree, so that when it expands or contracts (a few microns a day), the core or rod suffers the equivalent axial displacement generating a change in the field of the coil, which can be perfectly measured and, through appropriate conversion tables, transformed into a measure of length.
- sensors or dendrometers based on the use of micrometric gauges or extensiometric bands, based in turn on the fact that in all materials that are conductors of electricity there is a ratio between the length of said conductor and its electrical resistance, so that a ratio between the relative variation of length of a conductor and its variation in resistance can be obtained electrical, which allows deducing from the latter the increase or decrease in the size of the plant under analysis.
- a Wheatstone bridge is used as a measuring element, in which four electrical resistances, connected between four points or ends of the bridge, which are fed in two points to extract an output voltage in the another two that must be zero when the bridge is in equilibrium, so that this output voltage of zero value will change becoming positive or negative depending on that there is an increase in one or the other of the resistances involved in the Wheatstone Bridge .
- the pressure dendrometer proposed by the invention based on the conventional technique of using connected strain gauges forming a Wheatstone bridge, fully solves the problem described above, ensuring great precision in the measurements made by it.
- Bands of the different types mentioned above can be used as resistances in the Wheatstone Bridge, so that the different orientation of such grids allows to obtain reliable data regardless of the orientation in the deformation of the bands generated by the plant.
- the aforementioned extensiometric bands are strategically placed by means of a protective layer on an aluminum sheet, of little thickness and notable length, with a bend in correspondence with one of its ends, determining a part through which the contact with the plant whose variation is to be measured, said aluminum sheet being arranged through the non-bent end on a groove established for that purpose in a proximal area of a cylinder accessed by a connection cable to be connected to the aluminum sheet and which at its other end it is connected to an interface related to the corresponding measurement system, all of which forms a sensor that is complemented by a sensor-holder element as support for fastening to the corresponding plant, with the particularity that said sensor-holder is It is made of aluminum and has rods that function as legs that are linked at one end to the other. piece that opens to the plant to measure, while on the other end the legs are through an element on which is properly supported and attached to the cylinder belonging to the sensor described above.
- connection interface constitutes a conditioning circuit of the signal, by means of which a signal will be provided based on the measurement of the positive elongation considered from the resting position of the corresponding extensiometric band, circuit that will be able to function correctly within the power range of 5.5 Vdc to 8 Vdc, without the output signal being affected by the variation of this power within the range.
- the referred conditioning circuit has been designed as a load cell amplifier of strain gauges fed with asymmetric and precision voltage, including two basic blocks, one for feeding the bridge of strain gages and another for amplifying the bridge measurement signal of these extensiometric bands, with the particularity that the power supply of the bridge has to be as high as possible, since a drift in feed suspension would lead to a drift in the measurement, foreseeing a precision voltage regulator for this in a circuit TL431 which is a precision-based regulator with a maximum error of 0.5%, it being further provided that at the input of the TL431 circuit, a 5V6 sensor is placed so that the variation of the supply is minimum and the error is less than 0.5%.
- the extensiometric bands are thermocompensated for the material on which they are glued (aluminum), for what in a range of 0 ° C to 50 ° C the thermal output signal is practically zero.
- Figure 1. Shows a schematic representation of a unidirectional strain gage.
- Figure 2 shows, according to a representation similar to the previous figure, a bidirectional strain gage.
- Figure 3. Shows a tridirectional strain gauge band.
- Figure 4 shows the diagram corresponding to the simplest mounting of the dendrometer bridge, specifically a three-wire assembly in which only one strain gage is involved.
- Figure 5. Shows the wiring form of a sensor with "full bridge” assembly, on one side, with two strain gages perpendicular to the other two.
- Figure 6 shows a representation similar to the previous figure but corresponding to a sensor by two faces .
- Figure 7. Shows a perspective representation of the sensor corresponding to the dendrometer object of the invention.
- Figure 8. Shows a plan view of the specific mounting location of the strain gages on the aluminum sheet that is part of the sensor shown in the previous figure.
- Figure 9. Shows an exploded view of the sensor, of the sensor holder, through which the clamping to the corresponding plant and the electronic interface or circuit of connection to the corresponding measuring system and in connection logically with the sensor is made. represented in the same figure.
- Figure 10 shows a practical application or assembly of the assembly represented in the previous figure on a plant.
- Figure 11 shows, finally, the scheme corresponding to the circuit that forms the connection interface of the sensor to the corresponding measurement equipment.
- R p - - Where R is the resistance, "is the resistivity, 1 is the length and A is the section.
- an extensiometric band is constituted by a grid (1) implanted in a support (2), grid that constitutes the sensitive element for deformation and that must meet the following characteristics:
- alloys such as copper-nickel, chromium-molybdenum-iron, nickel-chromium or platinum-tungsten.
- support (2) must offer the following basic functions:
- Materials that meet the aforementioned characteristics are polyamide, simple or laminated, and epoxy or phenolic resins.
- the alloys used for the manufacture of bands must present, as a most important characteristic, the sensitivity to deformation. There is a relationship between the resistance variation and the applied deformation that is defined as a band factor
- the grid is formed by a fine wire implies that it has a certain responsive sensitivity to the transverse deformations, especially in the areas of the loops, where there is a finite amount of wire oriented transversely with respect to the measurement axes of the grid, as seen in figure 1. This effect is less in the bands with perpendicular grid, but they are still inherently affected, especially if you consider that each wire of the grid is large enough to reflect a transverse deformation induced by the support. The nature and extent of the consequent resistive change depends on the particular characteristics of the sensitive alloy that is being used.
- strain gage is a resistance implies that it will be affected by temperature variations, which forces compensation to be made to minimize this effect.
- the ideal solution is one that the apparent deformation of the temperature is equal to zero, for which the use of self-compensating bands in temperature has been foreseen.
- the bands can be unidirectional, as shown in Figure 1, which allow to know the state of deformations and / or stresses of the structure on which they adhere along the longitudinal axis of the band, but can also be bidirectional, such as the one shown. in figure 2, where on the same support (2) two grids (1) (1 ') are mounted, with their orientations offset 90 ° with respect to each other, as also seen in the aforementioned figure 2.
- This type of bands are used when the main directions are known and what is interesting is to know the deformations and / or maximum and minimum (principal) stresses of a structure under load, of course at the point of installation of the band.
- Figure 4 shows one of the aforementioned bands, specifically the simple strain gage of figure 1, referenced globally with (3), forming part of a Wheatstone bridge, as the first of its resistance, combined with three conventional resistors, (4), (5) and (6), giving rise to a three-wire assembly that guarantees the symmetry of the circuit, fed by a certain input voltage applied at the nodes (7), (7 1 ) , and with an output voltage between the points (8) (8 ') that must be zero when the bridge is in equilibrium, adopting a positive or negative value depending on the deformations suffered by the strain gage (3).
- a mid-bridge assembly is also possible, placing two strain gages (3) on adjacent or opposite branches of the Wheatstone Bridge represented in figure 4. If the bands (3) are placed on the adjacent branches, one of them should work at traction and the other compression, in order that if the resistance increases in one decrease in the other. Another possibility is that one of the two shows a deformation equal to zero, that by its placement works in a minimum deformation or to measure the Poisson effect.
- the assembly of adjacent branches is a very useful assembly when it comes to compensating temperature beyond, above or below, the self-compensation range of the bands. In this way, a band may be stuck on the test structure that is measuring the mechanical deformations and those due to the thermal signal of the bands.
- the output signal is 1/2 of the band factor (K) multiplied by the deformation of the material.
- the biggest advantage of the complete bridge is that all the wiring, from the point of measurement to the instrumentation, including connectors, plugs and, if used, slip rings, is outside the measurement circuit, with which the errors that could be introduced in The system is minimal.
- Figures 5 and 6 show two mounting solutions of the strain gages in the dendrometer of the invention.
- This band is installed only on the upper face of the sensor, leaving the lower face free.
- Figure 6 shows a second type of sensor, on two sides, so that two bands are placed on each side, orienting the four grids (1) (two on each side) according to the main deformation, thereby get a number of active branches equal to four. Also in this case a polyamide support and an uncapped grid are used, with a nominal resistance of 350 ohms and autocompensation for aluminum. Each band has two parallel grids that, wired together and with the band placed on the other side, achieve a complete bridge.
- the assembly (9) forming the extensiometric bands is arranged in a specific area of an aluminum sheet (10) of rectangular configuration and preferably 60 mm long and 10 mm wide, which has a double bend at one of its ends. with convergent side edges that gives rise to the emerging part narrowing to an angular and rounded end (11) from the first bend, which will determine the contact means on the corresponding plant in which it is applied the dendrometer, having foreseen that said aluminum sheet (10), carrier of the aforementioned extensiometric bands, is located at its opposite end in a groove (12) provided diametrically in the vicinity of one of its ends of a cylindrical body ( 13), as shown in figure 7.
- the referred set constitutes a sensor in connection with an electronic interface (14) that defines a circuit whose characteristics will be exposed later and which is connected to the corresponding system or equipment for taking measurements.
- the sensor is mounted on a support or sensor holder (15), which has a part, which corresponds to the reference (15) itself, in the manner of a jaw with a cylindrical depression in which the cylinder (13) of the cylinder is positioned. sensor, being through the piece forming that sensor holder (15) through rods (16) in legs functions, ending in another piece (17) with tightening elements to be fixed, in collaboration with convenient mooring elements , on the plant (18) in which the dendrometer is applied, as shown in figure 10.
- the sensor holder (15) will be made of aluminum, while the rods corresponding to its legs (16) are constituted in another material with a null expansion coefficient in order to measure the microns of continuous variation of the plant (18).
- Figure 11 shows the interface electronics, materialized by a signal adaptation circuit of the dendrometer assembly, a circuit that has been designed as a load cell amplifier of strain gages fed with precision asymmetric tension, comprising a block (19) for feeding the bridge of strain gauges and a block (20) for amplifying the measuring signal of the extensiometric band bridge, with the particularity that the block
- power supply includes a voltage regulator based on a circuit (21) TL431 which is a precision Zéner regulator with a maximum error of 0.5%, including the input of that block or circuit (21) a Zener (22) of 5V6 so that the variation of the feeding is the minimum and the error less than 0.5%, focusing the feeding referred to in 4, 7 Vcc + 0.5% .
- the amplification of the signal basically comprises an operational (23) OPA2277 / SA of low cost and high performance, functioning as a differential amplifier with a certain gain, defined according to the resolution required by the application, all this in such a way that the gain of the circuit will be the amplification by which the differential signal received from the extensiometric bands is multiplied, this signal being proportional to the elongation of the same, this gain being chosen based on the resolution of the reader and the desired precision.
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Abstract
Basado en la proporción que existe entre la longitud de un material conductor y su resistencia eléctrica y utilizando un circuito tipo puente de Wheatstone, con cuatro resistencias a las que aplicada una determinada tensión de entrada, y cuando el puente se encuentre en equilibrio la tensión de salida es cero, consiste en utilizar como tales resistencias respectivas bandas extensiométricas, a base de una rejilla (1) montada sobre un soporte electroaislante (2), de manera que preferentemente dos de dichas rejillas (1) están orientadas en una dirección principal de máxima deformación, mientras que las otras dos (1') lo están en sentido perpendicular al anterior, de manera que las variaciones dimensionales de dichas bandas, determinadas por el incremento o reducción en las dimensiones del árbol o la planta a controlar, generan una tensión de salida, positiva o negativa, que se corresponde proporcionalmente con dicho incremento o disminución de medida.
Description
DENDROMETRO DE PRECISIÓN
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un dendrómetro, es decir a un aparato para medir las dimensiones de los árboles en pie, en el presente caso generalizado a la medición de cualquier tipo de planta y de cualquiera de sus componentes, ya sea el tronco, las hojas, el fruto, etc .
El dendrómetro está determinado por un sensor que ha de colocarse en contacto con la planta, un portasensor a través del cual el sensor queda sujeto a la referida planta, y una electrónica o interface de conexión del sensor con el correspondiente sistema de medida.
El objeto de la invención es conseguir un óptimo control en las variaciones dimensionales de la planta a lo largo del día, para en base a los datos obtenidos poder tomar decisiones para mejorar el rendimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Convencionalmente y para mejorar el rendimiento de una plantación se analizaban y tenían en cuenta exclusivamente parámetros externos a las propias plantas, tales como clima y riego del suelo, fundamentalmente.
Sin embargo y desde hace cierto tiempo se sabe que las plantas sufren a lo largo del día una
contracciones/dilataciones, es decir un aumento y disminución de su diámetro (en el caso del tronco o de un fruto) que es función de su estado "hídrico", de su "stress", por lo que un control dendrométrico y permanente de la planta permite tomar decisiones mucho más adecuadas para mejorar el rendimiento, que si se tienen en cuenta exclusivamente los parámetros ajenos a la misma.
Evidentemente estas variaciones dimensionales son mínimas por lo que el dendrómetro utilizado debe ser de gran precisión.
Una solución al respecto conocida y comúnmente utilizada, consiste en los llamados sensores de desplazamiento lineal, estructurados mediante una bobina electromagnética anular en cuyo seno juega un núcleo materializado en una varilla que, por efecto del campo magnético de la bobina, se mantiene permanentemente presionada contra la superficie de la planta, como por ejemplo contra el tronco de un árbol, de manera que cuando éste se dilata o se contrae (unas mieras al día) , el núcleo o varilla sufre el equivalente desplazamiento axial generando una modificación en el campo de la bobina, que puede ser perfectamente medido y, mediante unas tablas de conversión adecuadas, transformado en una medida de longitud.
También son conocidos sensores o dendrómetros basados en el uso de galgas micrométricas o bandas extensiométricas, basadas a su vez en el hecho de que en todos los materiales que son conductores de la electricidad existe una proporción entre la longitud de dicho conductor y su resistencia eléctrica, de manera que puede obtenerse una proporción entre la variación relativa de longitud de un conductor y su variación en resistencia
eléctrica, que permite deducir de esta última el incremento o disminución dimensional de la planta en análisis .
En esta línea cabe destacar la patente US
4.549.355, en la que se utiliza como elemento de medida un Puente de Wheatstone, en el que participan cuatro resistencias eléctricas, conectadas entre cuatro puntos o extremos del puente, el cual es alimentado en dos puntos para extraer una tensión de salida en los otros dos que debe ser cero cuando el puente está en equilibrio, de manera que esta tensión de salida de valor cero variará haciéndose positiva o negativa en función de que se produzca un incremento en unas u otras de las resistencias que participan en el Puente de Wheatstone.
Esta solución, perfectamente válida desde el punto de vista teórico, presenta en la práctica problemas derivados de la geometría de la planta, de manera que la orientación en la deformación de la planta ni resulta habitualmente alineada con el elemento electro-resistente, ni tampoco ofrece una angulación fija, con lo que entre la medida realizada y el valor real existen desviaciones que pueden llegar a ser inaceptables.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El dendrómetro de presión que la invención propone, basándose en la técnica convencional de utilizar bandas extensiométricas conectadas constituyendo un Puente de Wheatstone, resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, asegurando una gran precisión en las medidas realizadas por el mismo.
Para ello y de forma más concreta se utilizan
bandas extensiométricas estructuradas a base de una rejilla y su correspondiente soporte, pero con la particularidad de que en el dendrómetro participan o pueden participar bandas unidireccionales, bidireccionales o tridireccionales, concretamente montando sobre un mismo soporte una sola rejilla, dos rejillas orientadas en disposiciones perpendiculares, o tres rejillas en las que dos de ellas forman con respecto a la tercera, ángulos contrarios de 45 ó 60°.
Bandas de los diferentes tipos anteriormente citados pueden ser utilizadas como resistencias en el Puente de Wheatstone, de manera que la diferente orientación de tales rejillas permite obtener datos fidedignos independientemente de cual sea la orientación en la deformación de las bandas generada por la planta.
Las citadas bandas extensiométricas van colocadas estratégicamente envueltas mediante una capa protectora sobre una lámina de aluminio, de escaso grosor y notable longitud, con un acodamiento en correspondencia con uno de sus extremos, determinando una parte a través de la cual se establece el contacto con la planta cuya variación se desea medir, estando esa lámina de aluminio dispuesta a través del extremo no acodado sobre una ranura establecida al efecto en una zona próxima de un cilindro al que accede un cable de conexión que ha de conectarse con la lámina de aluminio y que por su otro extremo se conecta a una interface relacionada con el correspondiente sistema de medida, formando todo ello un sensor que se complementa con un elemento porta-sensor como soporte de sujeción a la correspondiente planta, con la particularidad de que dicho porta-sensor está constituido en aluminio y cuenta con unas varillas en funciones de patas que por uno de sus extremos se vinculan a una pieza que se iabraza a la
planta a medir, en tanto que por otro extremo las patas son pasantes a través de un elemento sobre el que queda convenientemente soportado y sujeto el cilindro perteneciente al sensor anteriormente descrito.
El interface de conexión constituye un circuito de acondicionamiento de la señal, mediante el que se proporcionará una señal en base a la medición de la elongación positiva considerada a partir de la posición de reposo de la correspondiente banda extensiométrica, circuito que será capaz de funcionar correctamente dentro del rango de alimentación de 5.5 Vcc a 8 Vcc, sin que la señal de salida se vea afectada por la variación de dicha alimentación dentro del rango.
El circuito de acondicionamiento referido se ha diseñado como un amplificador de célula de carga de bandas extensiométricas alimentadas con tensión asimétrica y de precisión, incluyendo dos bloques básicos, uno de alimentación del puente de bandas extensiométricas y otro de amplificación de la señal de medida del puente de esas bandas extensiométricas, con la particularidad de que la alimentación del puente tiene que ser del máximo de perfil que sea posible, ya que una deriva en suspensión de alimentación supondría una deriva en la medida, previéndose para ello un regulador de tensión de precisión basado en un circuito TL431 que es un regulador céner de precisión con un error máximo del 0,5%, habiéndose previsto además que a la entrada del circuito TL431 se coloque un céner de 5V6 para que la variación de alimentación sea mínima y el error menor al 0,5%.
De acuerdo con otra de las características de la invención las bandas extensiométricas son termocompensadas para el material sobre el que van pegadas (aluminio) , por
lo que en un rango de 0° C a 50° C la señal de salida térmica es prácticamente cero.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1. - Muestra una representación esquemática de una banda extensiométrica unidireccional .
La figura 2.- Muestra, según una representación similar a la figura anterior, una banda extensiométrica bidireccional .
La figura 3. - Muestra a su vez una banda extensiométrica tridireccional .
La figura 4. - Muestra el esquema correspondiente al montaje más simple del puente del dendrómetro, concretamente un montaje a tres hilos en el que tan solo participa una banda extensiométrica.
La figura 5. - Muestra la forma de cableado de un sensor con montaje en "puente completo", por una cara, con dos bandas extensiométricas perpendiculares a las otras dos .
La figura 6.- Muestra una representación similar a la figura anterior pero correspondiente a un sensor por
dos caras .
La figura 7. - Muestra una representación en perspectiva del sensor correspondiente al dendrómetro objeto de la invención.
La figura 8. - Muestra una vista en planta del lugar de montaje concreto de las bandas extensiométricas sobre la lámina de aluminio que forma parte del sensor representado en la figura anterior.
La figura 9.- Muestra una vista en explosión del sensor, del porta-sensor, a través del cual se realiza la sujeción a la correspondiente planta y el interface o circuito electrónico de conexión al correspondiente sistema de medida y en conexión lógicamente con el sensor representado en la misma figura.
La figura 10.- Muestra una aplicación práctica o de montaje del conjunto representado en la figura anterior sobre una planta.
La figura 11.- Muestra, finalmente, el esquema correspondiente al circuito que forma la interface de conexión del sensor al correspondiente equipo de medida.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Tal como anteriormente se ha dicho, en los materiales conductores de la electricidad existe una proporción entre la longitud del conductor y su resistencia eléctrica, que viene dada por la siguiente ecuación:
R = p - —
Donde R es la resistencia, „ es la resistividad, 1 es la longitud y A es la sección.
Consecuentemente al deformarse el conductor, variando su longitud, siempre y cuando esta deformación quede dentro del rango elástico y no se introduzca ningún cambio en la resistividad del conductor, el cambio de resistencia eléctrica es función de la deformación, según la relación:
^Δ
F R V i J
Tal como se observa en la figura 1, una banda extensiométrica está constituida mediante una rejilla (1) implantada en un soporte (2), rejilla que constituye el elemento sensible para la deformación y que debe cumplir las siguientes características:
- Linealidad en la sensibilidad a la deformación en el rango elástico, lo que implica precisión y repetibilidad.
- Alta resistividad para conseguir que sea de pequeño tamaño .
- Alta sensibilidad a la deformación para obtener la mayor señal posible con un nivel de deformación dado.
- Coeficiente de resistencia con la temperatura controlable, para una compensación con la temperatura óptima.
- Amplio rango de temperatura operativo.
- Buena vida a fatiga para el caso de fenómenos dinámicos .
Estas características las cumplen diferentes aleaciones, como por ejemplo las de cobre-níquel, cromo- molibdeno-hierro, níquel-cromo o platino-tugsteno .
Por su parte el soporte (2) debe ofrecer las siguientes funciones básicas :
- Transporte firme de la rejilla, terminales y cables .
- Proporcionar una superficie adecuada para el pegado de la banda sobre la superficie de ensayo.
- Aislar eléctricamente la banda del espécimen.
- Transmitir fielmente a la rejilla, a través del adhesivo, las deformaciones originadas en el material . - Alto módulo de cortadura, con el mínimo espesor, para asegurar la perfecta transmisión de las deformaciones.
- Resistencia y flexibilidad, para reducir la posibilidad de daños durante la instalación y permitir su empleo en zonas curvas.
- Alta capacidad de elongación, para su uso en niveles de deformación dentro del rango plástico de la mayoría de los materiales .
Facilidad de adhesión, para tener gran resistencia a despegarse del material del ensayo y asegurar la unión con la rejilla.
- Alta e inherente resistencia de aislamiento, para eliminar problemas e imprecisiones en las medidas . - Buena estabilidad con la mínima fluencia.
Capacidad de mantener las características anteriores en el mayor rango de temperatura posible.
Materiales que cumplen las características anteriormente citadas son la poliamida, simple o laminada, y las resinas tipo epoxi o fenólicas.
Las aleaciones empleadas para la fabricación de bandas deben presentar, como característica más importante, la sensibilidad a la deformación. Existe una relación entre la variación de resistencia y la deformación aplicada que se define como factor de banda
(K) .
El hecho de que la rejilla esté formada por un hilo fino implica que tiene una cierta sensibilidad de respuesta a las deformaciones transversales, especialmente en las zonas de los bucles, donde existe una cantidad finita de hilo orientada transversalmente respecto a los ejes de medida de la rejilla, tal como se observa en la figura 1. Este efecto es menor en las bandas con rejilla de trama perpendicular, pero aun así están inherentemente afectadas, sobre todo si se tiene en cuenta que cada hilo de la rejilla es lo suficientemente grande como para reflejar una deformación transversal inducida por el soporte. La naturaleza y alcance del consecuente cambio resistivo, depende de las características particulares de la aleación sensitiva que se esté empleando.
El hecho de que la banda extensiométrica sea una resistencia, implica que ésta se verá afectada por las variaciones de temperatura, lo que obliga a realizar una compensación para minimizar tal efecto.
Evidentemente, la solución idónea es aquélla que la deformación aparente de la temperatura sea igual a cero, para lo que se ha previsto la utilización de bandas autocompensadas en temperatura.
Las bandas pueden ser unidireccionales, como la representada en la figura 1, que permiten conocer el estado de deformaciones y/o tensiones de la estructura sobre la que van adheridas según el eje longitudinal de la banda, pero igualmente pueden ser bidireccionales, como la representada en la figura 2, donde sobre un mismo soporte (2) se montan dos rejillas (1) (1'), con sus orientaciones desfasadas 90° la una con respecto a la otra, como también se observa en la citada figura 2. Este tipo de bandas se emplean cuando se conocen las direcciones principales y lo que interesa es conocer las deformaciones y/o tensiones máximas y mínimas (principales) de una estructura bajo carga, por supuesto en el punto de instalación de la banda .
También existe la posibilidad de utilizar bandas tridireccionales como la mostrada en la figura 3, en las que sobre el soporte (2) se montan una rejilla (1) intermedia en las rejillas laterales (1''), orientadas a 45 ó 60° con respecto a la primera y con sus orientaciones contrapuestas entre sí, banda aplicable en estructuras con simetrías poco claras o sometidas a cargas combinadas, donde es preciso conocer la deformación según tres direcciones .
En la figura 4 se ha representado una de las bandas anteriormente citadas, concretamente la banda extensiométrica simple de la figura 1, referenciada globalmente con (3) , formando parte de un Puente de Wheatstone, como la primera de sus resistencias, combinada
con tres resistencias convencionales, (4) , (5) y (6) , dando lugar a un montaje tres hilos que garantiza la simetría del circuito, alimentado por una determinada tensión de entrada aplicada en los nudos (7), (71), y con una tensión de salida entre los puntos (8) (8') que debe ser cero cuando el puente está en equilibrio, adoptando un valor positivo o negativo en función de las deformaciones sufridas por la banda extensiométrica (3) .
Con este montaje tres hilos no solo se garantiza la simetría del circuito sino también, en consecuencia, se elimina el efecto de resistencia de los cables, así como el efecto que la variación de la temperatura tiene sobre la resistencia de los cables, evitándose paralelamente efectos de "desensibilización" de la señal. Esto se consigue si todos los cables son de la misma longitud y, a ser posible, unidos o trenzados, para estar de esta forma sometidos a las mismas condiciones ambientales.
En este tipo de montaje tan solo existe una rama activa, por lo que la relación entre las tensiones de entrada y salida es 1/4 del factor de banda (K) multiplicado por la deformación del material.
También es posible un montaje a medio puente, colocando dos bandas extensiométricas (3) en ramas adyacentes u opuestas del Puente de Wheatstone representado en la figura 4. Si las bandas (3) se colocan en las ramas adyacentes, una de ellas debe trabajar a tracción y la otra a compresión, en orden a que si la resistencia aumenta en una decrezca en la otra. Otra posibilidad es que una de las dos muestre una deformación igual a cero, que por su colocación trabajase en una deformación mínima o para medir el efecto Poisson.
El montaje de ramas adyacentes, es un montaje muy útil cuando se trata de compensar temperatura más allá, por encima o por debajo, del rango de autocompensación de las bandas. De esta forma puede tenerse una banda pegada sobre la estructura de ensayo que esté midiendo las deformaciones mecánicas y las debidas a la señal térmica de las bandas. En la rama adyacente se coloca otra banda pegada sobre ese mismo material, que se denomina de compensación, y sometida a las mismas condiciones ambientales que la banda activa, pero sin sufrir deformaciones mecánicas. De esta forma, restando la señal de las dos bandas, resta únicamente la deformación debida a los efectos mecánicos. No obstante, es muy difícil mantener una completa simetría y que las dos bandas estén exactamente a la misma temperatura y tengan la misma resistencia.
En el caso de dos ramas activas, ambas según la dirección de deformación principal, la señal de salida es de 1/2 del factor de banda (K) multiplicado por la deformación del material .
Finalmente existe también la posibilidad de efectuar un montaje a puente completo, caso en el que se emplean bandas extensiométricas (3) en todas las ramas del puente, solución que permite obtener una mayor sensibilidad en el sistema de medida. Lógicamente cuando se utilizan cuatro bandas extensiométricas orientadas según la dirección principal, es decir, cuando todas las ramas son activas, la relación entre las tensiones de entrada y salida es igual al producto del factor de banda (K) por la deformación del material.
En este caso se llega a multiplicar por cuatro la señal con respecto al montaje en cuarto de puente, además
de una compensación automática con la temperatura y la eliminación de señales no deseadas, es decir, ruido.
Existe la posibilidad de obtener además otros números de ramas activas, no enteros, concretamente de valores 1,3 y 2,6, según se dispongan las bandas en el puente, pudiendo obtener distintas señales de salida sustituyendo este valor del número de bandas en la correspondiente ecuación de salida.
La mayor ventaja del puente completo es que todo el cableado, desde el punto de medida hasta la instrumentación, incluidos conectores, clavijas y, si se utilizan, anillos rozantes, está fuera del circuito de medida, con lo que los errores que podrían introducir en el sistema son mínimos.
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, en la solución de montaje en cuarto de puente se hace imprescindible el uso de bandas autocompensadas para obtener una medida sin alteraciones por efectos de la temperatura, o con alteraciones tabuladas, mientras que en los casos de medio puente y puente completo, la compensación de la temperatura se puede lograr de forma automática, en ausencia de bandas autocompensadas.
En las figuras 5 y 6 se han representado dos soluciones de montaje de las bandas extensiométricas en el dendrómetro de la invención.
En el caso de la figura 5, en el conjunto (9) , por una cara, se realiza un montaje en puente completo, con dos rejillas (1) según la dirección principal de máxima deformación, y otras dos rejillas (l1) según la dirección principal de mínima deformación, que es perpendicular a la
anterior. Con un soporte de poliamida y las rejillas sin encapsular se obtiene un número de ramas activas de 2,6.
Esta banda va instalada únicamente en la cara superior del sensor, dejando libre la cara inferior.
En la figura 6 se ha representado un segundo tipo de sensor, por dos caras, de manera que se colocan dos bandas por cada cara, orientando las cuatro rejillas (1) (dos por cada cara) según la deformación principal, con lo que se consigue un número de ramas activas igual a cuatro. También en este caso se utiliza un soporte de poliamida y una rejilla sin encapsular, con resistencia nominal de 350 ohmios y autocompensación para aluminio. Cada banda tiene dos rejillas paralelas que, cableadas entre sí y con la banda colocada en la otra cara, logran un puente completo.
El conjunto (9) que forman las bandas extensiométricas se dispone en una zona concreta de una lámina de aluminio (10) de configuración rectangular y preferentemente de 60 mm de longitud y 10 mm de anchura, que por uno de sus extremos presenta un doble acodamiento con bordes laterales convergentes que da origen a que, a partir del primer acodamiento, se vaya estrechando la parte emergente hasta rematarse en un extremo angular y redondeado (11) que va a determinar el medio de contacto sobre la correspondiente planta en la que se aplique el dendrómetro, habiéndose previsto que esa lámina de aluminio (10) , portadora de las bandas extensiométricas anteriormente referidas, vaya situada por su extremo opuesto en una ranura (12) prevista en sentido diametral en proximidad a uno de sus extremos de un cuerpo cilindrico (13), según se ve en su figura 7.
El conjunto referido constituye un sensor en
conexión con una interface electrónica (14) que define un circuito cuyas características se expondrán con posterioridad y que se encuentra conectado al correspondiente sistema o equipo de toma de medidas.
El sensor queda montado sobre un soporte o porta- sensor (15) , que presenta una pieza, que se corresponde con la propia referencia (15) , a modo de mordaza con una depresión cilindrica en la que queda posicionado el cilindro (13) del sensor, siendo pasantes a través de la pieza que forma ese porta-sensor (15) unas varillas (16) en funciones de patas, que finalizan en otra pieza (17) con elementos de apriete para fijarse, en colaboración con convenientes elementos de amarre, sobre la planta (18) en la que se aplique el dendrómetro, tal y como se representa en la figura 10.
El porta-sensor (15) estará constituido en aluminio, mientras que las varillas correspondientes a sus patas (16) están constituidas en otro material con un coeficiente de dilatación nulo para permitir medir las mieras de variación continua de la planta (18) .
En la figura 11 se muestra la electrónica de interface, materializada por un circuito de adecuación de la señal del conjunto del dendrómetro, circuito que se ha diseñado como un amplificador de célula de carga de bandas extensiométricas alimentada con tensión asimétrica de precisión, comprendiendo un bloque (19) de alimentación del puente de bandas extensiométricas y un bloque (20) de amplificación de la señal de medida del puente de bandas extensiométricas, con la particularidad de que el bloque
(19) de alimentación incluye un regulador de tensión basado en un circuito (21) TL431 que es un regulador Zéner de precisión con un error máximo del 0,5%, incluyendo a la
entrada de ese bloque o circuito (21) un Zéner (22) de 5V6 para que la variación de la alimentación sea la mínima y el error menor al 0,5%, centrándose la alimentación referida en 4 , 7 Vcc + 0,5%.
La amplificación de la señal, cuyo esquema corresponde al bloque (20) , comprende básicamente un operacional (23) OPA2277/SA de bajo coste y altas prestaciones, funcionando como un amplificador diferencial con una ganancia determinada, definida en función de la resolución requerida por la aplicación, todo ello de manera tal que la ganancia del circuito será la amplificación por la que se multiplica la señal diferencial recibida de las bandas extensiométricas, siendo esa señal proporcional a la elongación de las mismas, escogiéndose esa ganancia en base a la resolución del lector y de la precisión deseada.
Lógicamente, en el momento que se establece una ganancia y una tensión de alimentación del puente de bandas extensiométricas, se estará en disposición de definir la correlación entre la tensión de salida del circuito y la distancia que el sensor se ha desplazado, de modo que la precisión que se obtendrá de la medida final dependerá de la resolución del aparato de lectura, de la ganancia con la que se haya dotado al circuito y de la calidad de montaje.
Claims
(1) según la dirección principal de máxima deformación, mientras que las otras dos bandas presentan sus rejillas
(1') según la dirección principal de mínima deformación, perpendicular a la anterior.
7a.- Dendrómetro de precisión, según reivindicación 5a, caracterizado porque en un sensor por dos caras se sitúan dos bandas extensiométricas por cada cara, con sus cuatro rejillas (1) orientadas en el mismo
sentido, concretamente en el de la deformación principal, consiguiéndose un número de ramas activas igual a cuatro.
8a.- Dendrómetro de precisión, según reivindicación Ia, caracterizado porque la lámina (10) sobre la que se montan las bandas extensiométricas es de aluminio y presenta uno de sus extremos fijado al cuerpo cilindrico (13) y el otro con un doble acodamiento determinante de un extremo aproximadamente triangular (11) , para contactar con la planta (18) y determinar el medio detector de la variación de dicha planta (18) .
9a.- Dendrómetro de precisión, según reivindicación Ia, caracterizado porque el porta-sensor (15) incluye una pieza con una cavidad cilindrica donde queda alojado y sujeto el cuerpo cilindrico (13) del conjunto del sensor, estando asociadas a dicha pieza del porta-sensor (15) unas varillas (16) en funciones de patas a las que se vincula una pieza (Í7) de adaptación y sujeción a la planta (8) en la que se aplique.
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