Célula de carga

Una  celda de carga convierte una fuerza como tensión, compresión, presión o torsión 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 celdas de carga son los tipos neumáticos, hidráulicos y de galgas extensométricas para aplicaciones industriales. Las básculas de baño no electrónicas típicas son un ejemplo generalizado de un indicador de desplazamiento mecánico donde el peso aplicado (fuerza) se indica midiendo la deflexión de los resortes que sostienen la plataforma de carga, técnicamente una "celda de carga".

Las celdas de carga con galgas extensométricas son las que se encuentran con más frecuencia en entornos industriales. Son ideales porque son muy precisas, versátiles y rentables. Estructuralmente, una celda de carga tiene un cuerpo de metal al que se han fijado galgas extensométricas. El cuerpo suele estar hecho de aluminio, acero de aleación o acero inoxidable, lo que lo hace muy resistente pero también mínimamente elástico. Esta elasticidad da lugar al término "elemento de resorte", que se refiere 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 extensómetro está construido con alambre muy fino, o lámina, dispuesto en un patrón de rejilla y fijado a un soporte flexible. Cuando se altera la forma del extensómetro, se produce un cambio en su resistencia eléctrica. El alambre o 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 el extensómetro, haciendo que se vuelva más delgado y más largo, lo que da como resultado un aumento en la resistencia. La fuerza de compresión hace lo contrario. El extensómetro se comprime, se vuelve más grueso y más corto, y la resistencia disminuye. El extensómetro está fijado a un soporte flexible que permite aplicarlo fácilmente a una celda de carga, reflejando los cambios minúsculos que se van a medir.

Dado que el cambio de resistencia medido por un solo extensómetro es extremadamente pequeño, es difícil medir los cambios con precisión. Aumentar la cantidad de extensómetros aplicados colectivamente magnifica estos pequeños cambios y los convierte en algo más medible. Un conjunto de 4 extensómetros colocados 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 los extensómetros. Si todos los resistores están equilibrados, entonces es cero. Si la resistencia en incluso uno de los resistores cambia, entonces también cambiará. El cambio en se puede medir e interpretar utilizando la ley de Ohm. La ley de Ohm establece que la corriente ( , medida en amperios) que circula a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje a través de los dos puntos. La resistencia ( , medida en ohmios) se introduce como la constante en esta relación, independientemente de la corriente. La ley de Ohm se expresa en la ecuación .${\displaystyle V_{\text{EX}}}$${\textstyle V_{o}}$${\displaystyle {\frac {R1}{R2}}={\frac {R4}{R3}}}$${\textstyle V_{o}}$${\estilo de visualización V_{0}}$${\textstyle V_{o}}$${\textstyle I}$${\textstyle V}$${\estilo de visualización R}$${\displaystyle I=V/R}$

Cuando se aplica a las 4 patas del circuito del puente de Wheatstone, la ecuación resultante es:

${\displaystyle V_{o}=\left({\frac {R3}{R3+R4}}-{\frac {R2}{R1+R2}}\right)V_{\text{EX}}}$

En una celda de carga, las resistencias se reemplazan por galgas extensométricas y se disponen en forma de tensión y compresión alternadas. 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]${\textstyle V_{o}}$${\textstyle V_{o}}$

Existen varios tipos de celdas de carga de galgas extensométricas: ^[2]

• Células de carga de un solo punto; utilizadas en básculas de plataforma pequeñas y medianas con tamaños de plataforma de 200 x 200 mm hasta 1200 x 1200 mm.
• Células de carga de viga plana; se utilizan en soluciones de perfil bajo donde el espacio es limitado, como básculas médicas y básculas minoristas.
• Células de carga de viga flectora; utilizadas en básculas de paletas, de plataforma y de tolvas pequeñas.
• Células de carga de viga cortante; utilizadas en aplicaciones de proceso y básculas de perfil bajo, disponibles en capacidades desde 100 kg hasta 50 t.
• Células de carga de doble viga de corte; utilizadas en básculas para camiones y aplicaciones de tanques y tolvas.
• Células de carga tipo S; se utilizan en aplicaciones de tensión donde encontrará cargas estáticas y dinámicas.
• Células de carga de compresión; utilizadas en básculas para camiones, básculas de plataforma grandes, básculas puente y básculas de tolva.
• Células de carga de torsión de anillo; utilizadas en tolvas, silos, plataformas y básculas para paletas de alta precisión.
• Celdas de carga tipo radios; se utilizan en aplicaciones de perfil bajo y alta precisión. Fuerzas elevadas que varían de 1 a 500 t.
• Células de carga a bordo; utilizadas para sistemas de pesaje a bordo en camiones, tractores y otros vehículos.
• Pasadores de carga; utilizados en aplicaciones para medir fuerzas dinámicas, estáticas o de elevación.
• Básculas portátiles para pesar automóviles y medir el centro de gravedad de aviones.
• Especiales; varios tipos de sensores especiales.

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 dispersos. ^[3] Esto permite una instalación sencilla de las celdas de carga sin kits de montaje costosos y complicados, tirantes o dispositivos de protección contra sobrecargas, lo que a su vez elimina la necesidad de mantenimiento.

Tanto las celdas de carga capacitivas como las de 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 celdas de carga utilizadas en aplicaciones industriales corrosivas. Un sensor de galgas extensométricas mide la deformación del elemento elástico y la salida del sensor se convierte mediante un circuito electrónico 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 se acercan entre sí.

Los sensores capacitivos tienen una alta sensibilidad en comparación con los extensómetros. Debido a la mayor sensibilidad, se necesita una deformación mucho menor del elemento elástico, por lo que 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 con galgas extensométricas. El elemento de deformación reducida 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 con galgas extensométricas. Esta es una ventaja obvia en entornos industriales y, especialmente, para las celdas de carga de menor capacidad, donde el riesgo de daños debido a golpes y sobrecargas es alto.

En una celda de carga de galgas extensométricas analógica estándar, la fuente de alimentación y la señal analógica de bajo nivel se conducen normalmente a través de un cable de 6 hilos bastante costoso hasta la instrumentación, donde la señal analógica se convierte en una señal digital. En cambio, las celdas de carga capacitivas digitales transmiten la señal digital de vuelta a la instrumentación, que puede estar ubicada 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 esta se escapa a través de la boquilla colocada en la parte inferior de la celda de carga. Se conecta 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. El pistón en realidad no entra en contacto con la celda de carga. Se colocan topes mecánicos para evitar la 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. Esta presión luego 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 la celda de carga hidráulica 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 entornos exteriores. Esta tecnología es más cara que otros tipos de celdas de carga. Es una tecnología más costosa y, por lo tanto, no puede competir eficazmente en términos de costo de compra. ^[7]

Celdas de carga de cuerda vibrante , que son útiles en aplicaciones geomecánicas debido a las bajas cantidades de deriva .

Las celdas de carga capacitivas son celdas de carga en las que la capacitancia de un capacitor cambia a medida que la carga presiona las dos placas de un capacitor para acercarlas. Las celdas de carga capacitivas son resistentes a las fuerzas laterales en comparación con las celdas de carga de galgas extensométricas.

Las celdas de carga piezoeléctricas funcionan según el mismo principio de deformación que las celdas de carga de galgas extensométricas, pero el material piezoeléctrico básico genera una salida de voltaje proporcional a la deformación de la celda de carga. Son útiles para mediciones de fuerza dinámicas/frecuentes. La mayoría de las aplicaciones de celdas de carga piezoeléctricas se dan en condiciones de carga dinámica, donde las celdas de carga de galgas extensométricas pueden fallar con ciclos de carga dinámica elevados. El efecto piezoeléctrico es dinámico, es decir, la salida eléctrica de una galga es una función de impulso y no es estática. La salida de voltaje solo es útil cuando la deformación está cambiando y no mide valores estáticos.

Sin embargo, dependiendo del sistema de acondicionamiento utilizado, se puede realizar un funcionamiento "cuasiestático". El uso de un amplificador de carga con una constante de tiempo larga permite una medición precisa que dura desde muchos minutos para cargas pequeñas hasta muchas horas para cargas grandes. Otra ventaja de las celdas de carga piezoeléctricas acondicionadas con un amplificador de carga es el amplio rango de medición que se puede lograr. 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 solo es posible con el uso de un amplificador de carga para el acondicionamiento.

• Montaje mecánico: las celdas deben estar correctamente montadas. Toda la fuerza de carga debe pasar por la parte de la celda de carga donde se detecta su deformación. La fricción puede inducir un desfase o histéresis . Un montaje incorrecto puede provocar que la celda informe fuerzas a lo largo de un eje no deseado, que aún puede correlacionarse de alguna manera con la carga detectada, lo que confundiría al técnico.
• Sobrecarga: Dentro de su capacidad nominal, la célula de carga se deforma elásticamente y vuelve a su forma original después de ser descargada. Si se somete a cargas superiores a su capacidad nominal máxima, el material de la célula de carga puede deformarse plásticamente ; esto puede dar como resultado un desfase de la señal, pérdida de linealidad, dificultad o imposibilidad de calibración, o incluso daño mecánico al elemento sensor (por ejemplo, delaminación, rotura). Las células de carga capacitivas en comparación con los extensómetros son más resistentes a las sobrecargas, debido a su principio de medición sin contacto.
• Problemas de cableado: los cables que van a la celda pueden desarrollar una alta resistencia, por ejemplo, debido a la corrosión. Alternativamente, se pueden formar rutas de corriente paralelas por la entrada de humedad. En ambos casos, la señal se desfasa (a menos que todos los cables se vean afectados por igual) y se pierde precisión.
• Daños eléctricos: las celdas de carga pueden resultar dañadas por corriente inducida o conducida. Los rayos que caen sobre la estructura o las soldaduras con arco realizadas cerca de las celdas ^[8] pueden sobrecargar las resistencias finas de los extensómetros y provocar su daño o destrucción. Para realizar soldaduras cercanas, se recomienda desconectar la celda de carga y cortocircuitar todos sus pines a tierra, cerca de la celda misma. Los altos voltajes pueden atravesar el aislamiento entre el sustrato y los extensómetros.
• No linealidad : en el extremo inferior de su escala, las celdas de carga tienden a ser no lineales. Esto se vuelve importante para celdas que detectan rangos muy amplios o con un gran excedente de capacidad de carga para soportar sobrecargas o impactos temporales (por ejemplo, las abrazaderas de cuerda). Es posible que se necesiten más puntos para la curva de calibración.
• Particularidad de aplicación: Una celda de carga que no se adapte bien a la magnitud y tipo específicos de presión tendrá poca precisión, resolución y confiabilidad.

El puente se excita con un voltaje estabilizado (normalmente 10 V, pero puede ser de 20 V, 5 V o menos para instrumentación alimentada por batería). La diferencia de voltaje proporcional a la carga aparece entonces en las salidas de señal. La salida de la celda se mide en milivoltios por voltio (mV/V) de la diferencia de voltaje a plena carga mecánica nominal. Por lo tanto, una celda de carga de 2,96 mV/V proporcionará una señal de 29,6 milivoltios a plena carga cuando se la 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 tener una configuración de cuatro cables. Los cables que van al extremo superior e inferior del puente son la excitación (a menudo etiquetados como E+ y E−, o Ex+ y Ex−), los cables que van a sus lados son la señal (etiquetados como S+ y S−). Lo ideal es que la diferencia de voltaje entre S+ y S− sea cero en condiciones de carga cero y aumente proporcionalmente a la carga mecánica de la celda de carga.

A veces se utiliza una configuración de seis cables. Los dos cables adicionales son "de detección" (Sen+ y Sen−) y están conectados al puente con los cables Ex+ y Ex-, de forma 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).

El puente suele estar aislado eléctricamente del sustrato. Los elementos sensores están muy próximos entre sí y en buen contacto térmico mutuo, para evitar señales diferenciales causadas por diferencias de temperatura.

Se pueden utilizar una o más celdas de carga para detectar una sola carga.

Si la fuerza se puede concentrar en un único punto (detección a pequeña escala, cuerdas, cargas de tracción, cargas puntuales), se puede utilizar una única celda. Para vigas largas, se utilizan dos celdas en el extremo. Los cilindros verticales se pueden medir en tres puntos, los objetos rectangulares suelen requerir cuatro sensores. Se utilizan más sensores para contenedores o plataformas grandes o cargas muy elevadas.

Si se garantiza que las cargas sean simétricas, algunas de las celdas de carga se pueden sustituir por pivotes. Esto permite ahorrar el coste de la celda de carga, pero puede reducir significativamente la precisión.

Las células de carga se pueden conectar en paralelo; en ese caso, todas las señales correspondientes se conectan entre sí (Ex+ a Ex+, S+ a S+, ...), y la señal resultante es el promedio de las señales de todos los elementos de detección. Esto se utiliza a menudo, por ejemplo, en básculas para personas 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]

Toda célula de carga está sujeta a un "timbre" cuando se la somete a cambios bruscos de carga. Esto se debe al comportamiento similar al de un resorte de las células de carga. Para medir las cargas, deben deformarse. Por lo tanto, una célula de carga de rigidez finita debe tener un comportamiento similar al de un resorte, exhibiendo vibraciones a su frecuencia natural . Un patrón de datos oscilantes puede ser el resultado del timbrado. El timbrado se puede suprimir de manera limitada por medios pasivos. Alternativamente, un sistema de control puede utilizar un actuador para amortiguar activamente el timbrado de una célula de carga. Este método ofrece un mejor rendimiento a costa de un 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] A partir de 1993, el British Antarctic Survey instaló células de carga en nidos de fibra de vidrio para pesar polluelos de albatros . ^[13] Las células de carga se utilizan en una amplia variedad de artículos, como el vibrador de siete postes que a menudo se utiliza para configurar autos de carrera.

Las celdas de carga se utilizan comúnmente para medir el peso en un entorno industrial. Pueden instalarse en tolvas, reactores, etc., para controlar su capacidad de peso, lo que suele ser de importancia crítica para un proceso industrial. Se deben definir y especificar algunas características de rendimiento de las celdas de carga para asegurarse de que puedan soportar el servicio esperado. Entre esas características de diseño se encuentran:

• Error combinado
• Intervalo mínimo de verificación
• Resolución

Las especificaciones eléctricas, físicas y ambientales de una celda de carga ayudan a determinar para qué aplicaciones es adecuada. Las especificaciones comunes incluyen: ^[14]

• Salida de escala completa (FSO): salida electrónica expresada en mV/V. Medida a escala completa.
• Error combinado: porcentaje de la salida de escala completa que representa la desviación máxima de la línea recta trazada entre la carga sin carga y la carga a la capacidad nominal. Se mide a menudo durante cargas crecientes y decrecientes.
• No linealidad: desviación máxima de la curva de calibración con respecto a una línea recta trazada entre la capacidad nominal y la carga cero. Se mide con una carga creciente y se expresa como porcentaje de la salida de escala completa.
• Histéresis: Diferencia máxima entre las señales de salida de la celda de carga para la misma carga aplicada. La primera medición se puede obtener disminuyendo la carga a partir de la salida nominal y la segunda aumentando la carga a partir de cero.
• Repetibilidad: Diferencia máxima entre las mediciones de salida para cargas repetidas en condiciones idénticas. Medida en porcentaje de la salida nominal.
• Equilibrio cero (desplazamiento): lectura de salida de la celda de carga con excitación nominal sin carga. Desviación en la salida entre una medición de cero real y una celda de carga real sin carga expresada como porcentaje de la salida de escala completa.
• Rango de temperatura compensado: rango de temperatura en el que se compensa una celda de carga para garantizar el equilibrio cero y la salida nominal dentro de límites específicos. Expresado en °F o °C.
• Rango de temperatura de funcionamiento: rango de temperaturas extremas en las que una celda de carga puede funcionar sin efectos adversos permanentes en ninguna de sus características de rendimiento. Expresado en °F o °C.
• Efecto de la temperatura en la salida: modificación de las lecturas de salida causada por la temperatura de la celda de carga. Expresada como porcentaje de la salida de escala completa por grado de °F o °C.
• Efecto de la temperatura sobre el cero: cambio en el equilibrio del cero causado por cambios en la temperatura ambiente. Expresado como porcentaje de la salida de escala completa por grado de °F o °C.
• Resistencia de entrada: Resistencia de entrada del circuito puente de la celda de carga. Medida en los cables de excitación positivo y negativo sin carga aplicada. Medida en ohmios.
• Resistencia de salida: Resistencia de salida del circuito puente de la celda de carga. Medida en los cables de excitación positivo y negativo sin carga aplicada. Medida en ohmios.
• Resistencia de aislamiento: resistencia medida a lo largo de las vías entre el circuito puente y el elemento transductor, el circuito puente y el blindaje del cable, y el elemento transductor y el blindaje del cable. Normalmente se mide a cincuenta voltios en condiciones de prueba estándar.
• Excitación recomendada: Tensión de excitación máxima recomendada del transductor para que funcione dentro de sus especificaciones. Expresada en VCC.
• Longitud del cable: longitud del cable estándar para el que se calibra la celda de carga. La longitud del cable afecta la forma en que se calibra la celda de carga.
• Sobrecarga segura: La carga máxima que se puede aplicar a una celda de carga sin causar efectos permanentes en sus especificaciones de rendimiento. Se mide como porcentaje de la salida de escala completa.
• Sobrecarga máxima: Carga máxima que se puede soportar sin provocar una falla estructural.
• Material: Sustancia que compone el elemento de resorte de la celda de carga.

Las celdas de carga son 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 celdas de carga se desviarán, envejecerán y se desalinearán; por lo tanto, será necesario calibrarlas regularmente para garantizar que se mantengan resultados precisos. ^[15] La norma ISO9000 y la mayoría de las demás normas especifican un período máximo de alrededor de 18 meses a 2 años entre los procedimientos de recalibración, según el nivel de deterioro de la celda de carga. Muchos usuarios de celdas de carga consideran que la recalibración anual es la 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, comenzando 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 midan 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. ^[16]

• Báscula de resorte
• Sensor de estiramiento

• ASTM E4 – Prácticas para la verificación de fuerza de máquinas de prueba
• ASTM E74 – Práctica para la calibración de instrumentos de medición de fuerza para verificar la indicación de fuerza de máquinas de prueba
• NTEP – Conferencia Nacional de Pesas y Medidas (Certificado de conformidad)