Conocimientos básicos sobre células de carga

Una célula de carga es un transductor que convierte la fuerza aplicada sobre ella en una señal eléctrica medible. A pesar de existir varios tipos de sensores, las células de carga son el sensor de fuerza más común del mercado.

Los diseños de células de carga se pueden distinguir de acuerdo con el tipo de señal de salida generada (neumático, hidráulico, eléctrico) o de acuerdo con la forma en que detectan el peso (flexión, cizalladura, compresión, tensión, etc).

 Origen de la célula de carga

Antes de que las células de carga a base de galgas extensiométricas se convirtieran en el método de elección para aplicaciones de pesajes  industriales, las básculas de palancas mecánicas fueron ampliamente usadas. Las básculas mecánicas pueden pesar de todo, desde pequeñas cargas, pasando por camiones y hasta vagones de ferrocarril, y además pueden hacerlo con precisión y fiabilidad si están debidamente calibradas y mantenidas. El método de funcionamiento puede implicar el uso de un mecanismo de equilibrio de peso automático, como son los contrapeso con dial de aguja, o sistemas de equilibrado manual, como son los de romana, o también sistemas híbridos, compuestos por palancas reductoras de esfuerzo, y acoplamiento final de célula de carga, con la detección de la fuerza desarrollada por las palancas mecánicas.

En 1843, el físico inglés Sir Charles Wheatstone diseñó un circuito de puente que podía medir resistencias eléctricas. El circuito de puente de Wheatstone es ideal para medir los cambios en la resistencia que se producen en medidores de deformación. Aunque la primera galga extensiométrica se desarrolló en la década de 1940, no fue hasta que la electrónica moderna se puso al día, y que la nueva tecnología se volvió técnicamente y económicamente viable. Desde ese momento, sin embargo, los medidores de deformación han proliferado tanto como componentes en la aplicación de básculas mecánicas,  como en sistemas de aplicación a base de células de carga independientes.

Hoy en día, a excepción de determinados laboratorios donde todavía se utilizan las balanzas mecánicas de precisión, las células de carga dominan la industria de pesaje. Las células neumáticas se utilizan a veces cuando se desea higiene y seguridad intrínseca. Este tipo de célula de carga también es una primera opción en instalaciones en lugares remotos, ya que no requieren una fuente de alimentación. Las células de carga extensiométricas ofrecen precisiones desde 0,03% a 0,25% de la escala completa y son adecuadas para casi todas las aplicaciones industriales.

Principio de funcionamiento

Las células de carga hidráulicas son dispositivos de equilibrio de fuerza que miden el peso como un cambio en la presión del fluido de llenado interno. En una célula de carga hidráulica de tipo diafragma, una carga o fuerza actúa sobre una cabeza de carga que se transfiere a un pistón el cual a su vez comprime un fluido de llenado confinado dentro de una cámara de diafragma elastomérico. A medida que aumenta la fuerza, la presión del fluido hidráulico se eleva. Esta presión puede ser indicada o transmitida a nivel local para una indicación o control remoto. La salida es lineal y relativamente no afectada por la cantidad del fluido de llenado o por su temperatura. Si las células de carga han sido correctamente instaladas y calibradas, la precisión puede ser de 0,25% a escala completa o mejor, lo que resulta aceptable para algunas  de las aplicaciones de pesaje de proceso. Debido a que este sensor no tiene componentes eléctricos, es ideal para uso en áreas peligrosas.

Un inconveniente es que el diafragma elastomérico limita la fuerza máxima que puede ser ejercida sobre el pistón a aproximadamente 1,000 bar. Todas las células de carga de metal también pueden adaptarse a presiones mucho más altas. Las células de carga de metal especiales han sido construidas para detectar un peso de hasta 5000 toneladas.

Las aplicaciones típicas de células de carga hidráulicas, cuando no se requiere mucha precisión, pueden emplearse para el control de peso de tanques y recipientes. Para una máxima precisión,  deben emplearse células de carga, de banda extensiométrica,  y en la instalación del tanque deben ser colocadas las célula de carga en cada punto de soporte, y sumando sus salidas, mediante caja sumadora, con ajuste potenciométrico. Como tres puntos definen un plano, el número ideal de puntos de soporte es tres.

Las células de carga neumáticas también operan en el principio de equilibrio de fuerzas. Estos dispositivos utilizan múltiples cámaras amortiguadoras para proporcionar una mayor precisión que un dispositivo hidráulico. En algunos diseños, la primera cámara del amortiguador se usa como una cámara de tara. Las células de carga neumáticas se utilizan a menudo para medir pesos relativamente pequeños en las industrias donde la limpieza y la seguridad son la principal preocupación.

Las ventajas de este tipo de Célula de carga incluyen su resistencia a explosiones y su insensibilidad a las variaciones de temperatura inherentes. Además, no contienen líquidos que puedan contaminar el proceso en el caso que la membrana se rompiera. Las desventajas incluyen la velocidad de respuesta relativamente lenta y la necesidad de aire limpio, seco, regulado o de nitrógeno.

Las células de carga están compuestas por galgas extensométricas  que convierten la carga que actúa sobre ellas en señales eléctricas. Las propias galgas medidoras están unidas (pegadas) a una viga o elemento estructural que se deforma cuando se le aplica un peso. En la mayoría de los casos, se utilizan cuatro galgas de deformación para obtener la máxima sensibilidad y compensación de temperatura. Dos de las galgas medidoras están por lo general en tracción, y dos en compresión, y se conectan con ajustes de compensación. Cuando se aplica un peso, la tensión cambia la resistencia eléctrica de los medidores en proporción a la carga.

Cada elemento está diseñado para medir la fuerza a lo largo de su eje principal y que no sean afectadas por otras fuerzas.

El material usado para el elemento elástico es usualmente, acero para herramientas, acero inoxidable, aluminio o cobre, en general materiales que tengan la ayuda de tener una relación lineal entre esfuerzo y deformación, con baja histéresis. También tiene que tener una larga vida de fatiga para asegurar un buen elemento de medición. Para lograr estas características es usual que se someta el material a tratamientos térmicos especiales.

Existen en el mercado, gran cantidad de modelos de células de carga, que cubren prácticamente todo tipo de aplicaciones,  citamos algunos tipos comunes de células de carga que existen en el mercado:

• De carga central/para plataformas – situadas en el centro de una superficie, son capaces de pesar correctamente, independientemente del punto en el que se aplique, la fuerza peso. Normalmente se emplean en todas las plataformas y balanzas monocélula;
• Compresión de bajo perfil – robustas y de fácil instalación, junto al relativo accesorio de montaje son idóneas para el pesaje de silos, tolvas, mezcladores y reactores incluso de grandes dimensiones y capacidad;
• Compresión de columna – empleadas generalmente en básculas puente de camiones  o con un adecuado accesorio de montaje para silos de grandes capacidad instalados incluso al aire libre;
• Compresión y tracción – para máquinas de prueba de material, ensayos especiales, etc.;
• Tracción – para realizar sistemas de pesaje suspendidos, para plantas de hormigonado o también pueden montarse en tirantes transformando viejas balanzas mecánicas en balanzas electrónicas; con cintas, mesas de rodillos, etc.;
• Doble cizallamiento – por lo general, se emplean en básculas puente de camiones, o con un adecuado accesorio de montaje para silos de grandes capacidad instalados incluso al aire libre;
• Flexión – células de carga comúnmente empleadas para realizar sistemas de pesaje de pequeña capacidad con dosificadores y sistemas de llenado y ensacado a peso, ensacadoras, rellenadoras, etc.;
• Ejes dinamométricos – se montan en el punto fijo o la polea de reenvío de los sistemas de elevación y pueden fabricarse adaptadas a las especificaciones del cliente;
• De anillo para tirantes – normalmente se utilizan para monitorizar la fuerza de tensado de tirantes presentes en obras civiles, presas, puentes, túneles, etc.;
• Pre-amplificadas – células con un amplificador interno que permite tener una salida analógica ya amplificada 0-10 V – 4-20 mA.

Hoy en día, la mayor parte de los modelos fabricados, pueden llevar incorporado internamente el convertidor A/D, facilitándonos una salida digital, con las  ventajas  que esta salida presenta para algunas aplicaciones.

La necesidad de una célula de carga con una clase de precisión u otra depende de la aplicación. Las clases de precisión aparecen ordenadas de menor a mayor.

Las células de carga con precisión más baja, pertenecientes a las clases D1 a C2, son más que suficientes para algunas básculas sencillas de materiales de construcción que se emplean para pesar arena, cemento o agua.

Ahora bien, otra cosa muy distinta es añadir la proporción correcta de aditivos a los materiales de construcción. Para ello existen básculas para materiales de construcción especiales con células de precisión C3, que sirven para mezclar aditivos tales como cenizas o arena.

Las células de precisión C3 también se utilizan con frecuencia en la construcción de maquinaria. En este tipo de aplicaciones, las básculas son un elemento del proceso de garantía la calidad y se utilizan, por ejemplo, para verificar rodamientos de bolas.

Sin embargo, en el caso de las básculas de mostrador o las básculas de las máquinas de llenado se necesita más precisión. En estas aplicaciones se pesan gramos e incluso microgramos. Las células de carga adecuadas para estas aplicaciones deben tener clases de precisión de C3 a C6.

Clasificación de las células de carga

Las células de carga deberán ser clasificadas, de acuerdo a sus características técnicas y resultados en las pruebas de ensayo, una vez presentadas a las pruebas de certificación, se recomienda el empleo de células de carga, que posean certificado de ensayos, emitido por un organismo competente, en cuatro clases de precisión cuyas designaciones son las siguientes:

Clase A;    Clase B;     Clase C;     Clase D.

Número máximo de divisiones de verificación de la célula de carga

El número máximo de divisiones de verificación de la célula de carga, n_max, en el cual el rango de medición de la célula de carga puede ser dividido, y que sea certificable, deberá estar dentro de los límites fijados en la tabla 1.

Tabla 1 –  Número máximo de divisiones de verificación (n_max) de acuerdo a la clase de precisión

Certificado de células de carga

Es muy aconsejable, aunque el empleo de las células de carga, sea fuera del ámbito de la Metrología Legal, en cuyo caso si es obligatorio, que posean un certificado de ensayos, expedido por un Organismo Notificado, autorizado para dicho menester, porque será una garantía, de haber superado una serie de pruebas muy exigentes para su buen funcionamiento.

Si tienes cualquier duda, ponte en contacto con Metropein, tus expertos en pesaje y metrología industrial.