Célula de carga

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Instrumento que indica la fuerza de fuerza

Una célula de carga convierte una fuerza como tensión, compresión, presión o par 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".

Celda de carga de manómetro

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 origen 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.

Extensímetros

Un medidor de tensión está construido con alambre o papel de aluminio muy fino, colocado en forma de cuadrícula y sujeto a un respaldo flexible. Cuando se altera la forma del extensímetro, 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 medidor de tensión 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.

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:

Tensión de excitación ${displaystyle V_{text{EX}}}$ es una constante conocida y tensión de salida ${textstyle V_{o}}$ es variable dependiendo de la forma de los medidores de tensión. Si todas las resistencias son equilibradas, es decir ${displaystyle {frac {R1}{R2}}={frac {R4}{R3}}}$ entonces ${textstyle V_{o}}$ es cero. Si la resistencia en uno de los resistores cambia, entonces ${displaystyle V_{0}}$ también cambiará. El cambio en ${textstyle V_{o}}$ se puede medir e interpretar utilizando La ley de Ohm. La ley de Ohm dice que la corriente ( ${textstyle I}$ , medido en amperes) corriendo a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje ${textstyle V}$ en los dos puntos. Resistencia ${displaystyle R}$ , medido en ohms) se introduce como la constante en esta relación, independiente de la corriente. La ley de Ohm se expresa en la ecuación ${displaystyle I=V/R}$ .

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 célula de carga, los resistores son reemplazados por medidores de tensión y dispuestos en alternancia de tensión y formación de compresión. Cuando la fuerza se ejerce sobre la célula de carga, la estructura y la resistencia de los medidores de tensión cambia y ${textstyle V_{o}}$ se mide. De los datos resultantes, ${textstyle V_{o}}$ se puede determinar fácilmente utilizando la ecuación anterior.

Tipos comunes de células de carga extensométricas

Existen varios tipos de células de carga extensímetro:

Células de carga Single Point; utilizadas en pequeñas y medianas escalas de plataforma con tamaños de plataforma de 200x200mm hasta 1200x1200 mm.
Células de carga Planar Beam; utilizadas en soluciones de bajo perfil donde el espacio es limitado, como escalas médicas y escalas minoristas.
Células de carga Beam Bending; utilizadas en palets, plataforma y pequeñas escalas de tolva.
Células de carga Shear Beam; utilizadas en aplicaciones de baja escala de perfiles y procesos, disponibles en capacidades de 100 kg hasta 50t.
Células de carga de haz de oveja doble; utilizadas en escalas de camiones, aplicaciones de tanque y tolva.
Células de carga tipo S; utilizadas en aplicaciones de tensión donde encontrará cargas estáticas y dinámicas.
Células de carga de compresión; utilizadas en escalas de camiones, grandes escalas de plataforma, puentes de pesaje y escalas de tolva.
Células de carga Ring Torsion; utilizadas en tolvas de alta precisión, silos, plataformas y escalas de paletas.
Células de carga Tipo de Espada; utilizadas en bajo perfil, aplicación de alta precisión. Las fuerzas altas varían de 1t-500t.
Células de carga a bordo; utilizadas para sistemas de pesaje a bordo en camiones, tractores y otros vehículos.
Cargadores; utilizados en aplicaciones para la medición de fuerzas dinámicas, estáticas o de sujeción.
Weighpads; pesopads portátiles para el pesaje de coches y para medir el centro de gravedad de los aviones.
Especialidades; todo tipo de sensores especiales.

Célula de carga capacitiva

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. Esta robusta tecnología permite una instalación mecánica muy simple e higiénica de las celdas de carga sin costosos y complicados kits de montaje, tirantes o dispositivos de protección contra sobrecargas. La sencilla instalación elimina la necesidad de mantenimiento y reduce el coste total de propiedad.

La diferencia básica con las células de carga extensométricas

Las células de carga capacitivas y extensímetros dependen de 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 están unidas directamente al elemento elástico y, en consecuencia, expuestas directamente a los golpes y sobrecargas que se encuentran con frecuencia en las aplicaciones industriales. Un sensor capacitivo es un conductor que, colocado a pequeña distancia del elemento elástico, mide la deformación sin ningún contacto con el elástico. elemento.

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 celdas de carga de menor capacidad donde el riesgo de daños debido a golpes y sobrecargas es alto. La celda de carga capacitiva de Eilersen también proporciona una tolerancia a cargas laterales y cargas excéntricas de hasta 10 veces mayor que la de las celdas de carga con galgas extensométricas. Esto significa que con las celdas de carga capacitivas Eilersen no se necesitan costosos kits de montaje con topes laterales de carga y sobrecarga, que a menudo necesitan mantenimiento y cuestan tanto como la propia celda de carga.

Conectividad de células de carga capacitivas

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.

Célula de carga neumática

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.

Célula de carga hidráulica

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. 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. Las aplicaciones típicas de celdas de carga hidráulicas incluyen pesaje de tanques, contenedores y tolvas. 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 eficaz 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.

Otros tipos

Célula de carga vibratoria

Células de carga de alambre vibratorio, que son útiles en aplicaciones geomecánicas debido a la baja cantidad de deriva,

Célula de carga capacitiva

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 fueron inventadas por Eilersen Electric Digital Systems, pueden soportar hasta un 1000 % de sobrecarga y son resistentes a las fuerzas laterales en comparación con las celdas de carga con galgas extensométricas. Más información sobre los beneficios de la tecnología de pesaje capacitivo está disponible en https://eilersen.com/technology

Célula de carga piezoeléctrica

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, el aire "cuasi estático" se puede realizar la operación. 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.

Problemas comunes

Montaje mecánico: las células deben montarse correctamente. Toda la fuerza de carga tiene que pasar por la parte de la célula de carga donde se siente su deformación. La fricción puede inducir offset o histeresis. El montaje incorrecto puede resultar en las fuerzas de reporte de células a lo largo del eje no deseado, que aún puede correlacionarse con la carga sensorial, confundiendo al técnico.
Sobrecarga: Dentro de su calificación, la célula de carga deforma elásticamente y vuelve a su forma después de ser descargada. Si se somete a cargas por encima de su calificación máxima, el material de la célula de carga puede deformarse plásticamente; esto puede resultar en un offset de señal, pérdida de linearidad, dificultad con o imposibilidad de calibración, o incluso daño mecánico al elemento de detección (por ejemplo, delamación, ruptura). Las células de carga capacitivas en comparación con los medidores de tensión son más resistentes a las sobrecargas, debido a su principio de medición sin contacto.
Problemas de cableado: los alambres de la célula pueden desarrollar alta resistencia, por ejemplo debido a la corrosión. Alternativamente, los caminos de corriente paralelos pueden ser formados por ingresos de humedad. En ambos casos la señal desarrolla offset (a menos que todos los alambres se vean afectados por igual) y se pierda la precisión.
Daño eléctrico: las células de carga pueden ser dañadas por la corriente inducida o realizada. El relámpago que golpea la construcción, o la soldadura de arco realizada cerca de las células, puede sobrecargar las resistencias finas de los medidores de tensión y causar su daño o destrucción. Para soldar cerca, se sugiere desconectar la célula de carga y acortar todos sus pines al suelo, cerca de la propia célula. Los voltajes altos pueden atravesar el aislamiento entre el sustrato y los medidores de tensión.
No linealidad: en el extremo bajo de su escala, las células de carga tienden a ser no lineales. Esto se convierte en importante para las células que detectan rangos muy grandes, o con gran superávit de capacidad de carga para soportar sobrecargas o choques temporales (por ejemplo, las abrazaderas de cuerda). Se pueden necesitar más puntos para la curva de calibración.
Particularidad de la aplicación: Una célula de carga que no se adapta bien a la magnitud específica y el tipo de presión tendrá mala precisión, resolución y fiabilidad.

Excitación y potencia nominal

El puente se excita con voltaje estabilizado (normalmente 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.

Cableado

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 "detectados" (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, p. 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 normalmente 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.

Usando múltiples celdas

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. 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−. También son posibles otros valores, p. rojo para Ex+, verde para Ex−, amarillo para S+ y azul para S−.

Timbre

Cada celda de carga está sujeta a "timbres" cuando se somete a cambios bruscos de carga. 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.

Usos

Las células de carga se utilizan en varios tipos de instrumentos de medición, como balanzas de laboratorio, básculas industriales, básculas de plataforma y máquinas de prueba universales. Desde 1993, el Servicio Antártico Británico instaló células de carga en nidos de fibra de vidrio para pesar los polluelos de albatros. Las células de carga se utilizan en una amplia variedad de artículos, como el agitador de siete postes que se utiliza a menudo para montar coches de carreras.

Rendimiento de pesaje de células de carga

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:

Error combinado
Intervalo mínimo de verificación
Resolución

Especificaciones de la celda de carga

Las especificaciones eléctricas, físicas y ambientales de una celda de carga ayudan a determinar para qué aplicaciones es apropiada. Las especificaciones comunes incluyen:

Salida completa de escala (FSO): Salida electrónica expresada en mV/V. Medido a toda escala.
Error combinado: por ciento de la salida de escala completa que representa la desviación máxima de la línea recta dibujada entre la carga y la carga sin la capacidad nominal. A menudo se mide durante la disminución y el aumento de las cargas.
No-Linearidad: La desviación máxima de la curva de calibración de una línea recta dibujada entre la capacidad nominal y la carga cero. Medido sobre el aumento de la carga y expresado como porcentaje de la producción a gran escala.
Histeresis: Máxima diferencia entre las señales de salida de células de carga para la misma carga aplicada. La primera medición se puede obtener disminuyendo la carga de la salida nominal y la segunda aumentando la carga de cero.
Repetibilidad: Máxima diferencia entre las mediciones de salida para cargas repetidas en condiciones idénticas. Medido en porcentaje de salida nominal.
Zero Balance (Offset): Lectura de salida de la célula de carga con excitación nominal sin carga. La desviación de la salida entre una verdadera medición cero y una célula de carga real bajo carga cero expresada como porcentaje de la salida a toda escala.
Rango de Temperado Compensado: El rango de temperatura sobre el cual se compensa una célula de carga para que pueda asegurar un balance cero " salida nominal dentro de límites especificados. Expresado como °F o °C.
Temperatura de funcionamiento Rango: Los extremos de rango de temperatura en los que una célula de carga puede operar sin efectos adversos permanentes en cualquiera de sus características de rendimiento. Expresado como °F o °C.
Efecto de temperatura en salida: Modificación de las lecturas de salida causadas por la temperatura celular de carga. Expresado como porcentaje de salida de escala completa por grado de °F o °C.
Efecto de temperatura en cero: Cambio de equilibrio cero causado por cambios de temperatura ambiente. Expresado como porcentaje de salida de escala completa por grado de °F o °C.
Resistencia de entrada: Resistencia de entrada al circuito de puente de la célula de carga. Medido en las pistas de excitación negativa positiva y sin carga aplicada. Medido en Ohms.
Resistencia de salida: Resistencia de salida del circuito de puente de la célula de carga. Medido en las pistas de excitación negativa positiva y sin carga aplicada. Medido en Ohms.
Resistencia al aislamiento: La resistencia midió a lo largo de caminos entre el: circuito de puentes y elemento transductor, el circuito de puentes y el escudo del cable, y el elemento transductor y el escudo del cable. Típicamente medido a cincuenta voltios bajo condiciones de prueba estándar.
Excitación recomendada: Tensión máxima recomendada de excitación del transductor para que funcione dentro de sus especificaciones. Expressed in VDC.
Longitud del cable: Longitud del cable estándar para el cual se calibra la célula de carga. La longitud del cable afecta cómo se calibra la célula de carga.
Sobrecarga segura: La carga máxima que se puede aplicar a una célula de carga sin causar efectos permanentes a sus especificaciones de rendimiento. Medido como porcentaje de la salida de escala completa.
Sobrecarga máxima: Carga máxima que puede ser resistida sin causar falla estructural.
Material: Sustancia que comprende el elemento primaveral de la célula de carga.

Calibración de la celda de carga

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. ISO9000 y la mayoría de las demás 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 una directriz de calibración ya que ambas se utilizan para determinar la exactitud. La calibración se lleva a cabo gradualmente comenzando a trabajar en orden ascendente o descendente. Por ejemplo, en el caso de una célula de carga de 60 toneladas, entonces se pueden utilizar pesos específicos de prueba que miden en incrementos de 5, 10, 20, 40 y 60 toneladas; un proceso de calibración de cinco pasos suele ser suficiente para asegurar que un dispositivo esté calibrado con precisión. Repetir este procedimiento de calibración de cinco pasos 2-3 veces se recomienda para resultados consistentes.

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