Una celda de carga convierte una fuerza como tensión, compresión, presión o torque en una señal (presión eléctrica, neumática o hidráulica, o indicador de desplazamiento mecánico) que se puede medir y estandarizar. Es un transductor de fuerza . A medida que aumenta la fuerza aplicada a la celda de carga, la señal cambia proporcionalmente. Los tipos más comunes de células de carga son las neumáticas, hidráulicas y de galgas extensométricas para aplicaciones industriales. Las básculas de baño no electrónicas típicas son un ejemplo generalizado de indicador de desplazamiento mecánico en el que el peso (fuerza) aplicado se indica midiendo la deflexión de los resortes que sostienen la plataforma de carga, técnicamente una "célula de carga".
Las células de carga extensímetro son las que se encuentran con mayor frecuencia en entornos industriales. Es ideal porque es muy preciso, versátil y rentable. Estructuralmente, una celda de carga tiene un cuerpo metálico al que se han fijado galgas extensométricas. El cuerpo suele estar hecho de aluminio, acero aleado o acero inoxidable, lo que lo hace muy resistente pero también mínimamente elástico. Esta elasticidad da lugar al término "elemento de resorte", en referencia al cuerpo de la celda de carga. Cuando se ejerce fuerza sobre la celda de carga, el elemento de resorte se deforma ligeramente y, a menos que se sobrecargue, siempre vuelve a su forma original. A medida que el elemento de resorte se deforma, las galgas extensométricas también cambian de forma. La alteración resultante de la resistencia en las galgas extensométricas se puede medir como voltaje. El cambio de voltaje es proporcional a la cantidad de fuerza aplicada a la celda, por lo que la cantidad de fuerza se puede calcular a partir de la salida de la celda de carga.
Un medidor de tensión está construido con alambre o papel de aluminio muy fino, dispuesto en forma de cuadrícula y sujeto a un soporte flexible. Cuando se altera la forma del extensómetro, se produce un cambio en su resistencia eléctrica. El alambre o la lámina del extensómetro está dispuesto de tal manera que, cuando se aplica fuerza en una dirección, se produce un cambio lineal en la resistencia. La fuerza de tensión estira una galga extensométrica, lo que hace que se vuelva más delgada y más larga, lo que resulta en un aumento de la resistencia. La fuerza de compresión hace lo contrario. La galga extensométrica se comprime, se vuelve más gruesa y más corta y la resistencia disminuye. El medidor de tensión está sujeto a un respaldo flexible que permite aplicarlo fácilmente a una celda de carga, reflejando los cambios diminutos que se medirán.
Dado que el cambio en la resistencia medido por un solo extensómetro es extremadamente pequeño, es difícil medir los cambios con precisión. Aumentar el número de galgas extensométricas aplicadas colectivamente magnifica estos pequeños cambios hasta convertirlos en algo más mensurable. Un conjunto de 4 galgas extensométricas colocadas en un circuito específico es una aplicación de un puente de Wheatstone .
Un puente de Wheatstone es una configuración de cuatro resistencias balanceadas con un voltaje de excitación conocido aplicado como se muestra a continuación:
El voltaje de excitación es una constante conocida y el voltaje de salida es variable dependiendo de la forma de las galgas extensométricas. Si todas las resistencias están equilibradas, el significado es cero. Si la resistencia en incluso una de las resistencias cambia, entonces también cambiará. El cambio se puede medir e interpretar utilizando la ley de Ohm. La ley de Ohm establece que la corriente ( , medida en amperios) que circula por un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje a través de los dos puntos. La resistencia ( , medida en ohmios) se introduce como constante en esta relación, independiente de la corriente. La ley de Ohm se expresa en la ecuación .
Cuando se aplica a las 4 patas del circuito del puente de Wheatstone, la ecuación resultante es:
En una celda de carga, las resistencias se reemplazan con galgas extensométricas y se disponen en formación alterna de tensión y compresión. Cuando se ejerce fuerza sobre la celda de carga, la estructura y la resistencia de las galgas extensométricas cambian y se miden. A partir de los datos resultantes, se puede determinar fácilmente utilizando la ecuación anterior. [1]
Existen varios tipos de células de carga extensímetro: [2]
La tecnología capacitiva digital se basa en un sensor cerámico sin contacto montado dentro del cuerpo de la celda de carga. Como la celda de carga no contiene partes móviles y el sensor cerámico no está en contacto con el cuerpo de la celda de carga, la celda de carga tolera sobrecargas muy altas (hasta 1000%), cargas laterales, torsión y voltajes de soldadura parásitos. [3] Esto permite una instalación sencilla de las células de carga sin costosos y complicados kits de montaje, tirantes o dispositivos de protección contra sobrecargas, lo que a su vez elimina la necesidad de mantenimiento.
Tanto las células de carga capacitivas como las galgas extensométricas se basan en un elemento elástico que se deforma con la carga que se va a medir. El material utilizado para el elemento elástico es normalmente aluminio o acero inoxidable para células de carga utilizadas en aplicaciones industriales corrosivas. Un sensor de galga extensométrica mide la deformación del elemento elástico y un circuito electrónico convierte la salida del sensor en una señal que representa la carga. Las galgas extensométricas capacitivas miden la deformación del material elástico utilizando el cambio en la capacitancia de dos placas a medida que las placas se acercan una a la otra.
Los sensores capacitivos tienen una alta sensibilidad en comparación con las galgas extensométricas. Debido a la sensibilidad mucho mayor, se necesita una deformación mucho menor del elemento elástico y, por lo tanto, el elemento elástico de una celda de carga capacitiva se deforma entre 5 y 10 veces menos que el elemento elástico de una celda de carga extensímetro. El elemento de baja tensión combinado con el hecho de que un sensor capacitivo no tiene contacto, proporciona una resistencia a los golpes y una capacidad de sobrecarga muy altas de la celda de carga capacitiva en comparación con la celda de carga extensímetro. Esta es una ventaja obvia en entornos industriales y especialmente para las células de carga de menor capacidad donde el riesgo de daños debido a golpes y sobrecargas es alto.
En una celda de carga de galga extensométrica analógica estándar, la fuente de alimentación y la señal analógica de bajo nivel normalmente se conducen a través de un cable bastante costoso de 6 hilos hasta la instrumentación donde la señal analógica se convierte en una señal digital. En cambio, las células de carga capacitivas digitales transmiten la señal digital de vuelta a la instrumentación, que puede colocarse a varios cientos de metros de distancia sin influir en la lectura.
La celda de carga neumática está diseñada para regular automáticamente la presión de equilibrio. Se aplica presión de aire a un extremo del diafragma y se escapa a través de la boquilla ubicada en la parte inferior de la celda de carga. Se adjunta un manómetro a la celda de carga para medir la presión dentro de la celda. La desviación del diafragma afecta el flujo de aire a través de la boquilla, así como la presión dentro de la cámara.
La celda de carga hidráulica utiliza una disposición convencional de pistón y cilindro con el pistón colocado en un diafragma elástico delgado. En realidad, el pistón no entra en contacto con la celda de carga. Se colocan topes mecánicos para evitar una sobretensión del diafragma cuando las cargas exceden un cierto límite. La celda de carga está completamente llena de aceite. Cuando se aplica la carga sobre el pistón, el movimiento del pistón y el diafragma da como resultado un aumento de la presión del aceite. Luego, esta presión se transmite a un manómetro hidráulico a través de una manguera de alta presión. [4] El tubo Bourdon del manómetro detecta la presión y la registra en el dial. Debido a que este sensor no tiene componentes eléctricos, es ideal para usar en áreas peligrosas. [5] Las aplicaciones típicas de células de carga hidráulicas incluyen el pesaje de tanques, contenedores y tolvas. [6] Por ejemplo, una celda de carga hidráulica es inmune a voltajes transitorios (rayos), por lo que este tipo de celdas de carga podrían ser un dispositivo más efectivo en ambientes exteriores. Esta tecnología es más cara que otros tipos de células de carga. Es una tecnología más costosa y, por lo tanto, no puede competir eficazmente en términos de costo de compra. [7]
Células de carga de cuerda vibrante , que son útiles en aplicaciones geomecánicas debido a su baja cantidad de deriva .
Las celdas de carga capacitivas son celdas de carga donde la capacitancia de un capacitor cambia a medida que la carga presiona las dos placas de un capacitor más juntas. Las celdas de carga capacitivas son resistentes a las fuerzas laterales en comparación con las celdas de carga con galgas extensométricas.
Las celdas de carga piezoeléctricas funcionan según el mismo principio de deformación que las celdas de carga extensímetro, pero el material piezoeléctrico básico genera una salida de voltaje , proporcional a la deformación de la celda de carga. Útil para mediciones de fuerza dinámicas/frecuentes. La mayoría de las aplicaciones de celdas de carga piezoeléctricas se encuentran en condiciones de carga dinámica, donde las celdas de carga con galgas extensométricas pueden fallar con ciclos de carga dinámicos elevados. El efecto piezoeléctrico es dinámico, es decir, la salida eléctrica de un medidor es una función de impulso y no es estática. La salida de voltaje solo es útil cuando la tensión cambia y no mide valores estáticos.
Sin embargo, dependiendo del sistema de acondicionamiento utilizado, se puede realizar un funcionamiento "cuasi estático". El uso de un amplificador de carga con una constante de tiempo larga permite realizar mediciones precisas que duran desde varios minutos para cargas pequeñas hasta muchas horas para cargas grandes. Otra ventaja de las células de carga piezoeléctricas equipadas con un amplificador de carga es el amplio rango de medición que se puede alcanzar. Los usuarios pueden elegir una celda de carga con un rango de cientos de kilonewtons y usarla para medir unos pocos newtons de fuerza con la misma relación señal-ruido; Nuevamente, esto sólo es posible con el uso de un amplificador de carga para acondicionamiento.
El puente se excita con voltaje estabilizado (generalmente 10 V, pero puede ser de 20 V, 5 V o menos para instrumentación alimentada por batería). En las salidas de señal aparece entonces la diferencia de tensión proporcional a la carga. La salida de la celda está clasificada en milivoltios por voltio (mV/V) de la diferencia de voltaje con carga mecánica nominal completa. Entonces, una celda de carga de 2,96 mV/V proporcionará una señal de 29,6 milivoltios a plena carga cuando se excita con 10 voltios.
Los valores de sensibilidad típicos son de 1 a 3 mV/V. El voltaje de excitación máximo típico es de alrededor de 15 voltios.
Las celdas de puente completo suelen venir en una configuración de cuatro cables. Los cables al extremo superior e inferior del puente son la excitación (a menudo etiquetados como E+ y E−, o Ex+ y Ex−), los cables a sus lados son la señal (etiquetados como S+ y S−). Idealmente, la diferencia de voltaje entre S+ y S− es cero bajo carga cero y crece proporcionalmente a la carga mecánica de la celda de carga.
A veces se utiliza una configuración de seis cables. Los dos cables adicionales son "detectores" (Sen+ y Sen−) y están conectados al puente con los cables Ex+ y Ex-, de manera similar a la detección de cuatro terminales . Con estas señales adicionales, el controlador puede compensar el cambio en la resistencia del cable debido a factores externos, por ejemplo, fluctuaciones de temperatura.
Las resistencias individuales del puente suelen tener una resistencia de 350 Ω . A veces se pueden encontrar otros valores (normalmente 120 Ω, 1000 Ω).
Normalmente, el puente está aislado eléctricamente del sustrato. Los elementos sensores están muy cerca y en buen contacto térmico mutuo, para evitar señales diferenciales causadas por diferencias de temperatura.
Se pueden usar una o más celdas de carga para detectar una sola carga.
Si la fuerza se puede concentrar en un solo punto (detección a pequeña escala, cuerdas, cargas de tracción, cargas puntuales), se puede utilizar una sola celda. Para vigas largas se utilizan dos celdas al final. Los cilindros verticales se pueden medir en tres puntos, los objetos rectangulares normalmente requieren cuatro sensores. Se utilizan más sensores para contenedores o plataformas grandes, o cargas muy elevadas.
Si se garantiza que las cargas serán simétricas, algunas de las células de carga se pueden sustituir por pivotes. Esto ahorra el costo de la celda de carga pero puede disminuir significativamente la precisión.
Las células de carga se pueden conectar en paralelo; en ese caso, todas las señales correspondientes están conectadas entre sí (Ex+ a Ex+, S+ a S+, ...), y la señal resultante es el promedio de las señales de todos los elementos sensores. Esto se utiliza a menudo, por ejemplo, en básculas personales u otros sensores de peso multipunto.
La asignación de color más común es rojo para Ex+, negro para Ex−, verde para S+ y blanco para S−.
Las asignaciones menos comunes son rojo para Ex+, blanco para Ex−, verde para S+ y azul para S−, o rojo para Ex+, azul para Ex−, verde para S+ y amarillo para S−. [9] También son posibles otros valores, por ejemplo, rojo para Ex+, verde para Ex−, amarillo para S+ y azul para S−. [10]
Cada celda de carga está sujeta a "timbres" cuando se la somete a cambios de carga abruptos. Esto se debe al comportamiento elástico de las células de carga. Para poder medir las cargas, tienen que deformarse. Como tal, una celda de carga de rigidez finita debe tener un comportamiento similar al de un resorte, exhibiendo vibraciones en su frecuencia natural . Un patrón de datos oscilante puede ser el resultado de un timbre. El timbre se puede suprimir de forma limitada por medios pasivos. Alternativamente, un sistema de control puede usar un actuador para amortiguar activamente el zumbido de una celda de carga. Este método ofrece un mejor rendimiento a un costo de aumento significativo de la complejidad.
Las células de carga se utilizan en varios tipos de instrumentos de medición, como balanzas de laboratorio, básculas industriales, básculas de plataforma [11] y máquinas de prueba universales . [12] Desde 1993, el Servicio Antártico Británico instaló células de carga en nidos de fibra de vidrio para pesar los polluelos de albatros . [13] Las células de carga se utilizan en una amplia variedad de artículos, como el agitador de siete postes que se utiliza a menudo para configurar los coches de carreras.
Las células de carga se utilizan habitualmente para medir el peso en un entorno industrial. Se pueden instalar en tolvas, reactores, etc., para controlar su capacidad de peso, lo que muchas veces es de importancia crítica para un proceso industrial. Se deben definir y especificar algunas características de rendimiento de las celdas de carga para garantizar que soportarán el servicio esperado. Entre esas características de diseño se encuentran:
Las especificaciones eléctricas, físicas y ambientales de una celda de carga ayudan a determinar para qué aplicaciones es apropiada. Las especificaciones comunes incluyen: [14]
Las células de carga son una parte integral de la mayoría de los sistemas de pesaje en las industrias industrial, aeroespacial y automotriz, y soportan un uso diario riguroso. Con el tiempo, las células de carga se desviarán, envejecerán y desalinearán; por lo tanto, será necesario calibrarlos periódicamente para garantizar que se mantengan resultados precisos. [15] ISO9000 y la mayoría de las otras normas especifican un período máximo de alrededor de 18 meses a 2 años entre procedimientos de recalibración, dependiendo del nivel de deterioro de la celda de carga. Muchos usuarios de celdas de carga consideran que la recalibración anual es una mejor práctica para garantizar las mediciones más precisas.
Las pruebas de calibración estándar utilizarán la linealidad y la repetibilidad como guía de calibración, ya que ambas se utilizan para determinar la precisión. La calibración se realiza de forma incremental y comienza a trabajar en orden ascendente o descendente. Por ejemplo, en el caso de una celda de carga de 60 toneladas, se pueden utilizar pesas de prueba específicas que miden en incrementos de 5, 10, 20, 40 y 60 toneladas; Un proceso de calibración de cinco pasos suele ser suficiente para garantizar que un dispositivo esté calibrado con precisión. Se recomienda repetir este procedimiento de calibración de cinco pasos 2 o 3 veces para obtener resultados consistentes. [dieciséis]
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