Diseño y funcionamiento de una celda de carga
Las celdas de carga se utilizan para medir el peso. Forman parte de nuestra vida cotidiana. “En el coche o en el mostrador de quesos del supermercado: en todas partes encontramos “celdas de carga”, afirma Stefan Schmidt, jefe de producto de HBM. Por supuesto, no suelen ser inmediatamente reconocibles, porque están ocultas en el interior de los instrumentos. Las celdas de carga suelen consistir en un elemento elástico sobre el que se han colocado galgas extensométricas.
El elemento elástico suele ser de acero o aluminio. Esto significa que es muy resistente, pero también mínimamente elástico. Como sugiere el nombre de “elemento elástico”, el acero se deforma ligeramente bajo carga, pero luego vuelve a su posición inicial, respondiendo elásticamente a cada carga. Estos cambios extremadamente pequeños pueden captarse con galgas extensométricas. Finalmente, la deformación de la galga extensométrica es interpretada por la electrónica de análisis para determinar el peso. Para entender este último punto, consideremos las galgas extensométricas con más detalle: Se trata de conductores eléctricos fijados a una película en forma de meandro. Cuando se tira de esta película, tanto ella como los conductores se alargan. Cuando se contrae, se acorta. Esto hace que cambie la resistencia de los conductores eléctricos. La deformación puede determinarse de este modo, ya que la resistencia aumenta con la deformación y disminuye con la contracción. Las galgas extensométricas están firmemente unidas al elemento elástico y, por tanto, sufren los mismos movimientos que éste. Estas galgas extensométricas están dispuestas en lo que se denomina un circuito de puente, o más exactamente un circuito de puente de Wheatstone (véase el diagrama). Esto significa que cuatro bandas extensométricas están conectadas “en anillo” y la rejilla de medición de la fuerza que se está midiendo está alineada en consecuencia. Si se coloca un objeto sobre la célula de carga o se suspende de ella, puede determinarse el peso del objeto. La carga prevista para una célula de carga se alinea siempre en la dirección del centro de la tierra, es decir, en la dirección de la gravedad. Sólo debe adquirirse ese componente de fuerza de la carga. Este no es el caso de los sensores de fuerza, que tienen un diseño similar y también se especifican con frecuencia como ” celdas de carga “: Suelen estar diseñados para adquirir cargas que se producen en todas las direcciones.
La dirección de la fuerza gravitatoria terrestre no es relevante para su instalación.
El diagrama muestra el aspecto de un posible circuito de puente de Wheatstone: Aquí, cuatro galgas extensométricas están conectadas “en anillo”.
Tipos de celdas de carga
Existen distintos tipos de celdas de carga para diferentes aplicaciones. Los más comunes son:
- Las celdas de carga de punto único: una celda de carga se sitúa debajo de una plataforma que se carga con un peso desde arriba.
- Las celdas de carga de viga de flexión: se colocan varias celdas de carga debajo de una estructura de acero y se cargan con un peso desde arriba
- Las celdas de carga de compresión: se colocan varias celdas de carga de alta capacidad bajo una estructura de acero cargada con un peso desde arriba.
- Las celdas de carga de tracción: se suspende un peso de una o varias celdas de carga.
Muchas celdas de carga también presentan propiedades especiales, como un diseño especial o propiedades del material. Esto puede ser importante en función de la aplicación, por ejemplo si los sistemas deben limpiarse a fondo todos los días. Algunas celdas de carga pueden soportar este tipo de tensión sin dificultad, otras no. Las celdas de carga también pueden clasificarse en función del tipo de transmisión de la señal: Las celdas de carga digitales llevan incorporada una electrónica que permite procesar los resultados de la medición y presentarlos en formato preparado. En el caso de las células de carga analógicas, se requiere un dispositivo adicional, un amplificador de medida. En las celdas de carga inferiores se colocan cuatro galgas extensométricas en el punto donde se produce la mayor deformación al aplicar la fuerza. La flecha señala la dirección de aplicación de la fuerza.
CELDA DE CARGA DE FUERZA DE COMPRESIÓN
CELDA DE CARGA DE VIGAS DE FLEXIÓN
CELDA DE CARGA DE UN PUNTO
CELDA DE CARGA DE TENSIÓN
Efectos medioambientales en las celdas de carga
Una característica especial de las celdas de carga es que el entorno en el que se utilizan desempeña un papel decisivo, en varios sentidos.
Temperaturas ambiente
Todos los materiales cambian con la temperatura, se dilatan con el calor y se contraen con el frío.
Por supuesto, lo mismo ocurre con las celdas de carga y sus galgas extensométricas. También cambia la resistencia eléctrica del conductor. Sin embargo, las celdas de carga deben medir el peso correcto en cualquier parte del mundo, independientemente de la temperatura ambiente. Para lograrlo, todas las celdas de carga de HBM incorporan un sofisticado mecanismo de compensación de temperatura. Las celdas de carga deben ser capaces de soportar diversos efectos. “Pensemos en una báscula de camiones: Estas básculas están expuestas a los elementos: lluvia, suciedad o calor; tienen que poder soportar las condiciones ambientales exteriores.
Y estamos hablando de todo el mundo: Una báscula de camiones en Siberia, por ejemplo, está expuesta a diferentes efectos que una en Sudáfrica. Pero tienen algo en común: deben estar diseñadas para entornos con condiciones meteorológicas adversas y, por tanto, deben ser correspondientemente resistentes”, afirma Stefan Schmidt.
Aplicación de fuerza en otras direcciones (“fuerzas parásitas”)
Dependiendo del entorno técnico en el que se instale una célula de carga -por ejemplo, en un sistema para pesar contenedores o en una célula de pesaje bajo una cinta transportadora-, pueden producirse otras cargas además del peso. Las “fuerzas parásitas” son fuerzas que actúan sobre la célula de carga no sólo en la dirección principal deseada, sino también desde el lateral, desde abajo o de alguna otra forma. Las celdas de carga no han sido desarrolladas para este fin y los resultados de las mediciones pueden ser inexactos o simplemente erróneos. Por lo tanto, durante la instalación debe prestarse atención a que no existan fuerzas parásitas, o que éstas sean lo más reducidas posible. Las celdas de carga y los módulos de pesaje de HBM ayudan a los usuarios a minimizar estas fuerzas parásitas y a obtener resultados de medición precisos.
Utilización de celdas de carga
Por supuesto, las celdas de carga suelen instalarse en básculas. Pero también hay muchas otras aplicaciones. Piense en las plantas de embotellado o los sistemas de llenado de botellas y latas por peso, con una célula de carga debajo de cada una. O sistemas de clasificación para distribuir caramelos o patatas en bolsas de forma que todas tengan el mismo peso al final del proceso.
Y también hay usos inusuales para las celdas de carga, como señala Schmidt: “Por ejemplo, nuestra celda de carga de punto único PW15iA se utiliza en el desarrollo de prendas de triatlón y trajes de baño de alto rendimiento: Mide la resistencia al agua de trajes para nadadores de talla mundial”.
Como parte de su actual investigación para demostrar el efecto de la resistencia al agua en varios trajes para nadadores de clase mundial, Huub Ltd. está introduciendo en el mercado su nuevo sistema M16 para medir la resistencia al agua. El sistema utiliza las celdas de carga tipo PW15iA de HBM.
Precisión de las celdas de carga
Independientemente de la aplicación a la que se destine una célula de carga, la precisión desempeña un papel muy importante. Las celdas de carga están disponibles con diferentes capacidades máximas (la capacidad máxima designa la carga máxima prevista) y clases de precisión. La tecnología de galgas extensométricas se utiliza principalmente para alcanzar las clases C y D. Las celdas de carga de galgas extensométricas con corrección electrónica se utilizan en algunas básculas de clases de precisión superiores.
Por este motivo, el pesaje está estrictamente regulado. Se permite el uso de diferentes básculas en función de la mercancía: Para mercancías de poco valor (como arena o grava), la báscula no necesita ser extremadamente precisa: la clase de precisión D es suficiente. En cambio, para los productos farmacéuticos se exigen las clases de precisión A o B, que son las más elevadas. Los bienes de consumo más comunes, como la carne, la fruta y la verdura, se pesan con la clase de precisión C, que ya impone elevados requisitos a la precisión del sistema de pesaje utilizado. Pero la clase de precisión C también se exige en ingeniería mecánica o para el pesaje de materiales de construcción. Las estrictas reglas y normas de pesaje plantean continuamente nuevos retos a los desarrolladores de células de carga. En el caso de las células de carga de la clase de precisión OIML superior, sólo se permite una desviación en la precisión de unas pocas ppm (partes por millón) del rango de medición de la célula de carga. “Es impresionante la precisión que se puede medir con un trozo de acero y una galga extensométrica pegada a él”, señala Stefan Schmidt. “Pero no se puede hacer sin los conocimientos técnicos necesarios. En los últimos años, HBM ha conseguido aumentar sistemáticamente la precisión alcanzada por muchas celdas de carga. Un proceso de desarrollo continuo que nunca termina”.
Ajuste, calibración y verificación legal
Para garantizar que una célula de carga funciona in situ como realmente debería, normalmente no sólo se ajusta y calibra en fábrica, sino que también se verifica en el lugar de instalación. La calibración y la verificación legal son procesos en los que la célula de carga se carga con pesos conocidos con fines de control. Si se carga un kilo en la célula de carga o en la báscula, dependiendo de la clase de precisión, el peso indicado también debe ser de un kilo y no de 857 gramos, por ejemplo. De este modo, también pueden detectarse efectos no deseados, como fuerzas parásitas.
Tendencias en la tecnología de las celdas de carga
Las celdas de carga basadas en galgas extensométricas pueden utilizarse para una gran variedad de aplicaciones y se caracterizan por su gran precisión. Esta precisión sólo puede alcanzarse con los conocimientos técnicos adecuados, que a su vez se basan en la experiencia. HBM cuenta con más de 65 años de experiencia en el desarrollo de celdas de carga y trabaja continuamente en nuevas soluciones para satisfacer los requisitos del mañana. “Hace diez años, los clientes nos preguntaban a menudo qué vendría después de la tecnología de galgas extensométricas, ya que esta tecnología de eficacia probada se estaba explotando al máximo. Por supuesto, nosotros nos hacíamos la misma pregunta”, continúa Stefan Schmidt. “Pero en el curso de nuestros exámenes determinamos que la tecnología de galgas extensométricas dista mucho de estar plenamente explotada y que aún existen innumerables otras posibilidades para mejorar decisivamente nuestros sensores y con ellos los productos de nuestros clientes.” Más precisas, más robustas, más rápidas, más inteligentes: así no hay fin previsible para el desarrollo tecnológico de las celdas de carga.