La necesidad de cuantificar con exactitud lo que tenemos es un proceso indispensable para la economía. Los registros históricos de dispositivos para pesar aparecen desde la cultura sumeria, al igual que patrones de masa utilizados para transacciones comerciales que eran tallados en piedras, el pesaje, en cualquier punto de la historia, representa una actividad fundamental para casi cualquier actividad comercial, el hacerlo con precisión asegura una buena reputación ante los clientes y garantiza la correcta administración de los bienes.
Actualmente se denomina “báscula” al instrumento de medición de peso que su división mínima es mayor a un gramo.
La Norma Oficial Mexicana que regula los requisitos técnicos y metrológicos, métodos de prueba y de verificación en los instrumentos para pesar como basculas y balanzas y sistemas de pesaje en los que el operador debe decidir si el resultado de la pesada es aceptable es la NOM-010-SCFI-2017.
Instrumento de medición de peso que mediante la obtención de la magnitud de la fuerza de gravedad ejercida sobre un objeto colocado en su dispositivo receptor de carga, muestra mediante un dispositivo indicador, una lectura del peso correspondiente.
Para realizar la medición de la masa de los objetos, es necesario ajustar la báscula con un patrón de la unidad de medida a utilizar, en este caso, para México, se usa un patrón en kilogramos.
Son instrumentos que pueden ser colocados, como su nombre lo indica en una mesa o banco de trabajo, la construcción de estas básculas es generalmente conformada por una celda de carga colocada entre dos soportes uno inferior que es el punto de apoyo y uno superior que puede contar con un plato o charola (receptor de carga) que es donde se colocan los objetos a pesar, estos dispositivos pueden encontrarse independientes como una plataforma de pesaje a la cual se le conecta un indicador de peso, o integrados en un solo instrumento, dentro de una carcasa junto con el dispositivo indicador de peso en una sola pieza.
Este tipo de instrumento cuenta con una capacidad de carga mayor a las de mesa, sus dimensiones son mayores por lo que el mejor lugar para colocarlas es el piso para poder colocar con mas facilidad objetos de más de 50 kg que no son tan fáciles de manipular como para alzarlos a la altura de una mesa o banco de trabajo , pueden contar de uno a 4 celdas de carga, en el caso de las básculas de una o más toneladas, generalmente se fabrican rectangulares con una celda de carga en cada esquina y perfiles bajos para ahorrar esfuerzo al colocar grandes cargas, es común realizar su instalación en fosas para dejarlas a nivel de piso y poder pesar con tarimas colocadas con patines de carga o montacargas o utilizar rampas.
Debido a su construcción utilizan celdas de carga que trabajan a tensión, como pueden ser las de tipo S o barras de carga, con dos ganchos para colgarse y para colgar la carga, para aplicaciones de bajo alcance se pueden encontrar instrumentos que en un solo dispositivo se integran todos los componentes de la báscula, y el peso puede ser visualizado en un display como las pesa equipaje, en esta clasificación se encuentran también las de grúa, que debido a el tipo de trabajo es necesario contar con dispositivos de control remoto para manipularlas y displays remotos para poder visualizar las lecturas debido a las distancias que se elevan y/o se trasladan.
Están diseñadas para pesaje de vehículos de carga como camiones, tráileres y furgones y constan de una plataforma de pesaje de varios metros de largo, dependiendo las dimensiones de los vehículos que se pesaran constan de estructuras metálicas cubiertas de placa de acero o coladas con concreto y cuentan con 4 o mas celdas de carga de bote o de doble apoyo de acuerdo a su longitud y capacidad de carga. Pueden ser instaladas a nivel de piso en fosas, para el caso de las ferrocarrileras siempre será este caso para poder continuar con los rieles, o sobre el piso con rampas en el caso del pesaje de camiones, también existen aplicaciones portátiles con módulos de carga que se colocan específicamente para pesar las llantas del vehículo. Todas cuentan con cajas suma para enviar el valor de las señales de todas las celdas al indicador de peso que comúnmente cuenta con un sistema de pesaje de entradas y salidas o modo camionero.
Constan de una plataforma con un sistema de palancas que reducen la fuerza que ejerce la carga que reciben, el sistema mecánico esta formado por dos palancas con cuchillas en los extremos que se soportan en cojinetes colocados en las esquinas de la plataforma de pesaje proporcionando el fulcro o punto de apoyo a las palancas, las dos palancas se unen en el centro de la plataforma con cuchillas y un eslabón con dos cojinetes, en esta parte se suma toda la fuerza recibida en cada punto de esfuerzo o potencia encontrado entre el fulcro l punto de resistencia y que también cuentan con cuchillas que son presionadas por los cojinetes que tiene el receptor de carga y descansan sobre estas, una de las palancas se extiende para transmitir la fuerza a una varilla de tiro que sube por un soporte hasta donde se encuentra la barra graduada para transmitir la potencia, que es seguida del fulcro y posteriormente con el jinete que es el contrapeso y en este caso la resistencia, que se incrementa al alejarla del fulcro y que nivela esta barra hasta quedar balanceada para indicar cual es el peso de la carga.
Son un poco mas complejas que las de barra pero comparten el sistema de palancas en la plataforma de pesaje que es prácticamente el mismo en ambos tipos, con ligeras variaciones, la fuerza recibida en el receptor de carga se transmite por medio de una varilla, en ocasiones, a otro sistema de palancas que realiza una resta de la fuerza transmitida para realizar una tara antes de llegar al reloj, en esta etapa también se pueden encontrar sistemas de amortiguación hidráulicos por medio de un embolo sumergido en aceite para ayudar a la estabilización de los movimientos realizados en el reloj indicador.
Después de la etapa de amortiguación y/o tara, la varilla de tiro sube hasta el reloj indicador, aquí se encuentra un sistema de péndulos y contrapesos unidos por cintas que de acuerdo a la fuerza de tiro se abren o cierran desplazando verticalmente a una cremallera que hace girar un engrane que a su vez mueve una aguja indicadora que se coloca en determinada posición indicando un valor en una escala circular haciendo la analogía de un reloj.
A pesar de ser muy antiguas sigue utilizándose en varios lugares para realizar transacciones comerciales, está formada por una barra graduada que por su uso forma una palanca con dos brazos uno corto que es el que recibe la carga en uno de sus extremos, de acuerdo a la física de las palancas esta es el punto de potencia, con un punto de apoyo, donde es colgada o soportada, que lo divide de un segundo brazo más largo donde se encuentra un contrapeso conocido como jinete o pilón que al desplazarlo sobre el brazo funciona como el punto de resistencia que se incrementa al separarse del punto de apoyo y con el cual se buscara equilibrar la barra horizontalmente para determinar el peso de la carga.
Estos instrumentos para pesar basan su funcionamiento en la ley de elasticidad de Hooke, funciona por medio de un resorte o espiral, fijo de un extremo a la estructura que lo soporta, puede ser un gancho, en su otro extremo puede colgarse un objeto que de acuerdo a su peso estirara el resorte que cuenta con una punta o indicador que se desplaza verticalmente por una escala graduada indicando un valor proporcional a su estiramiento.
Comparten características de las electrónicas y las mecánicas, generalmente son básculas mecánicas a las que se adaptan sistemas electrónicos, colocando una celda de carga en el punto de resistencia de las palancas de una plataforma de una báscula mecánica la cual transducirá la fuerza ejercida en una señal eléctrica que puede ser interpretada por un indicador de peso.
También existen básculas muy especializadas de alta precisión que utilizan sistemas de palancas que pueden considerarse híbridos.
Dentro de los tipos anteriores, también pueden ser clasificadas por su aplicación y funciones específicas como pueden ser:
Dentro de la industria es necesario pesar desde el momento que realiza la compra de materias primas para la elaboración de sus productos, muchos fabricantes realizan el pesaje por medio de personas que verifican directamente en instrumentos para pesar de funcionamiento no automático donde solo utilizan la indicación de su bascula en procesos manuales en su totalidad.
Su único objetivo es el de pesar directamente lo que es colocado en su receptor de carga, los registros del peso son realizados por los operadores o por dispositivos ajenos a la báscula, el operador es responsable de pesar las cantidades requeridas y solo cuenta con las funciones básicas como tarar y puesta a cero.
Este tipo de instrumento realiza los cálculos matemáticos para definir cuantas piezas conforman el peso medido, para tal objetivo existen dos métodos para tomar la referencia con la cual se calcula el numero de piezas, uno de ellos es el introducir directamente el valor del peso de cada pieza, así dividirá el peso total entre el valor introducido mostrando cuantas piezas fueron colocadas en el receptor de carga, otro método, cuando se desconoce el peso de las piezas es por el muestreo, consiste en colocar una cantidad determinada de piezas (5, 10, 20, 50, 100) indicándole a la báscula cuantas piezas se utilizaran en el muestreo para dividir su peso entre la cantidad de piezas de la muestra o sampling, obteniendo el valor promedio de estas para tomarlo como referencia y poder realizar el conteo.
Ayudan al operador a pesar una cantidad determinada mostrando una ayuda visual para llegar al objetivo deseado, cuentan con un semáforo integrado que cambia de color conforme se acerca al peso objetivo deseado, una vez alcanzado muestra el color verde, generalmente cuentan con tres puntos de corte como mínimo que pueden ser utilizados para controlar un semáforo externo, un sistema de alarmas, el rechazo de productos o la dosificación automática de el material a pesar.
Son instrumentos con controladores programables, pueden realizar el control automático de ciertos procesos de bacheo y dosificación, cuentan con la posibilidad de cargar recetas y con las funciones necesarias para ejecutarlas automáticamente, pueden almacenar datos de las pesadas, hora, fecha, consecutivo y datos externos proporcionados por el operador u otros dispositivos de control, pueden ser configurados en sistemas en red y cuentan con múltiples opciones de comunicación y edición de templetes para impresión de etiquetas, algunos pueden ser programados a voluntad por medio de lenguajes de programación exclusivos de su marca o estandarizados, pueden integrarse teclados, lectores de código de barras, impresores, y cuentan con entradas y salidas discretas que pueden ser programadas para recibir o ejecutar instrucciones.
Indica el peso de los artículos y cuenta con la función de introducir el precio por kilogramo para determinar el importe a pagar de la cantidad pesada.
Como su nombre lo indica son diseñadas exclusivamente para pesar a personas aunque en la actualidad pueden determinar la grasa corporal, pueden contar con estadiómetro para medir la altura y se encuentran en consultorios, supermercados y centros de servicio ofreciendo varios servicios de medición biométrica y pueden encontrarse aplicaciones en camillas sillas de ruedas y para pesar bebes.
Este tipo de instrumento funciona transformando la fuerza con que el objeto a pesar es atraído por la gravedad en una señal eléctrica (Ver funcionamiento de la celda de carga) esta señal analógica es procesada por dispositivos electrónicos para convertirla a una señal digital y poder mostrarla en un display, además de ofrecer una gran variedad de funciones para ajustar, filtrar y referenciar.
Detallaremos cada módulo electrónico que conforma una báscula par su mejor comprensión, todas las básculas electrónicas cuentan con una celda de carga que es el transductor que nos proporciona la señal que será medida la cual representaría el primer módulo que conforma la báscula. El segundo módulo, es el dispositivo necesario para energizarla, una fuente de poder de entre los 5 a 12 voltios dependiendo la tecnología que utilice, que suministre una corriente eléctrica capaz de alimentar la o las celdas de carga que utilice la báscula y su electrónica digital, la señal proporcionada debe ser adecuada y convertida a una señal digital que representaría un tercer modulo llamado convertidor Analógico Digital (ADC o CAD o DAC), ya digitalizada la señal proporcionada por celda de carga requiere de ser procesada para poder ser referenciada y ajustada a los valores que se obtienen al colocar un patrón en el transductor, agregar las funciones de cero, tara, filtros, capacidad, resolución, entre otras, para esto se requiere un procesador y una capacidad de memoria, por lo que un cuarto modulo seria la unidad de procesamiento o CPU. Una vez procesada la señal el modulo numero 5 es la parte donde podemos interactuar con el instrumento o el dispositivo donde podemos ejecutar las funciones o realizar cambios en la programación que seria un teclado o un puerto de comunicación, salidas y entradas discretas. Para finalizar se requiere un sexto modulo o dispositivo que permita visualizar esta señal como una pantalla o un display.
La celda de carga es el primer modulo, para comprender su funcionamiento puede ver el articulo donde se explica todo lo referente a este dispositivo.
La función de este modulo es convertir la corriente eléctrica de la toma proporcionada por la compañía de electricidad, o generador portátil 120 VAC (Para el caso de México) a una corriente directa necesaria para alimentar la electrónica con que este construida la báscula. Para realizar este proceso existen varios métodos, el mas usado es el que definiremos para explicar el funcionamiento de una báscula.
Tomaremos como ejemplo un instrumento que requiere 5 y 10 VCD para operar, un transformador de bajada reduce el voltaje de 120 VCA a 12 VCA no sin antes utilizar un sistema de protección con fusibles, los 12 VCA son rectificados utilizando un puente de diodos y uno o varios filtros conformados por una resistencia o bobina (Dependiendo la calidad de la fuente) y un capacitor que realizan la conversión de la CA a CD un regulador de voltaje proporciona una mejor calidad de corriente directa eliminando voltajes de rizo y entregando el voltaje adecuado para alimentar la electrónica digital con 5 VCD en la mayoría de los casos, la alimentación de el transductor de peso puede ser de 5 a 12 VCD por lo que podemos encontrar reguladores de 5, 8, 10 y 12 VCD, dependiendo el diseño del fabricante, es común encontrar los reguladores de la familia 78XX, 79XX, LM317, LM2990 entre otros mas complejos, por lo que podemos concluir que una fuente convencional puede ser representada en el siguiente circuito.
Aquí se recibe una señal analógica en mV, dependiendo la celda de carga y el voltaje de excitación que en este caso sería de 10 V se obtienen teóricamente 0 mV cuando el receptor de carga se encuentra vacío y 20 o 30 mV cuando se encuentra con una carga igual a su alcance de medición. Esta señal la recibe el convertidor analógico digital, que la transforma a una señal digital, dependiendo de la precisión de la báscula el convertidor puede ser de 16 24 o 32 bits, Están formados por un conjunto de comparadores con diferentes rangos de tensión de referencia que al aplicar un voltaje en su entrada, todos aquellos comparadores cuya tensión de referencia sea menor se activaran, se cuantifica la señal para poder asignar un valor a cada medición de la señal analógica y finalmente se codifica para entregar una señal digital en formato binario.
A pesar de ser un instrumento básico de medición, pueden ser tan complejas que pueden controlar procesos industriales completos de formulación, dosificación, identificación de productos, almacenamiento de datos, entre otras aplicaciones, en la actualidad ya se opta por contar con una computadora para procesar los datos obtenidos y varias marcas en el mercado ofrecen terminales de pesaje que cuentan con una arquitectura igual a una PC.
Desde laos diseños mas sencillos se cuenta con un microprocesador para adecuar la señal digital para mostrarla en un display de leds o de cristal de cuarzo y una memoria que guarda el programa hasta las interfases HMI que controlan procesos automatizados complejos que cuentan con la capacidad de procesamiento de una computadora, su funcionamiento general es el siguiente:
Al iniciar el encendido de la báscula el procesador carga el programa desde la memoria leyendo los datos de las funciones y referencias con los que manejara los datos proporcionados por el convertidor A-D.
Posteriormente la información leída, es analizada siguiendo un juego de instrucciones, los datos leídos se manipularán de acuerdo con un set de instrucciones, que indicarán qué se debe hacer con esta información.
Por ejemplo, hay una parte del código del programa que indica que se debe marcar con una referencia cierto nivel de los datos binarios obtenidos del convertidor con los datos que se guardan en la memoria al momento de realizar un proceso de ajuste y toma de referencias de los patrones, siendo cada referencia, información que describe un valor, con lo que se obtiene una operación aritmética común.
En una tercera etapa continua con el procesamiento de la señal donde se ejecutan las funciones programadas como el mantenimiento automático de cero, el filtraje, entre otras funciones de ejecución automática y se procesan las instrucciones introducidas por el usuario y se ejecutan las instrucciones tomadas y decodificadas en el paso anterior. En esta etapa es donde se realizan las operaciones necesarias para obtener el resultado del peso medido.
En algunas ocasiones es necesario una etapa de escritura, dónde es necesario guardar información recopilada, desde el procesador hasta la memoria para ser reutilizada posteriormente, una vez terminado el procesamiento, los datos pueden ser escritos en la memoria principal, o en una unidad de almacenamiento, de acuerdo con las características de la aplicación que tenga.Los métodos para introducir datos a la bascula conforman un quinto modulo, el de entradas y salidas, aquí podemos encontrar el teclado con el que se pueden ejecutar ciertos comandos que el CPU espera que sean ejecutados para realizar operaciones como puesta a cero, tarar, imprimir, contar, guardar entre muchas otras funciones.
Los puertos de comunicación son otro método para recibir o enviar información a otros dispositivos, por medio de estos se pueden ejecutar comandos o secuencias, realizar cambios en la programación de la báscula, transmitir la información del peso medido a otras básculas, controladores o computadoras, casi en la totalidad de las básculas se cuenta con un puerto serial RS 232 y dependiendo la marca pueden encontrarse con puertos USB, ethernet, RS 485 en su versión estándar o opciones para integrar mas puertos con distintos protocolos de comunicación.
Las entradas y salidas discretas también juegan un papel importante para el control automático de dispositivos eléctricos utilizados en la automatización de procesos, estos son utilizados para indicar puntos de corte pre programados a ciertos niveles dentro del rango de medición de la báscula, ciertos modelos proporcionan la funcionalidad de contadores y temporizadores, y por medio de las entradas pueden activarse funciones especificas de la báscula que pueden ser programadas de acuerdo a la aplicación para la que se pretenda utilizar.
El módulo de entrada y salida tiene la función de proteger y aislar el CPU de todos los elementos que se encuentran fuera de la unidad, ya sean teclados, sensores, actuadores o controladores y servir como dispositivos de interfase, que entre sus tareas principales están las de adecuar los niveles eléctricos a los valores de voltaje que emplea el microprocesador utilizando transistores, optoacopladores, relevadores, triacs y en el caso de las comunicaciones, circuitos como el MAX 232 y proporcionar una interfase de comunicación con el operador u otra máquina.
La parte final de la báscula es el dispositivo que nos muestra el valor del peso gráficamente, puede ser un display de diferentes tecnologías que se pueden encontrar, de leds, cristal líquido, de filamentos en tubos de vacío o gases inertes o actualmente en pantallas o monitores.
Desde las mas simples que cuentan con displays de 7 segmentos de leds, que hay que programar con tablas identificando un numero binario para cada numero decimal que se mostrara, los displays de cristal líquido que incluyen una unidad de procesamiento propia para mostrarnos los gráficos, almacenar los caracteres que pueden ser visualizados o crear caracteres propios, y las pantallas donde ya podemos visualizar imágenes a color que cuentan con un funcionamiento muy complejo.
Todos los módulos se integran para formar un instrumento para pesar, el grado de complejidad puede variar enormemente pero desde los indicadores mas sencillo hasta los mas avanzados comparten la misma estructura que define su funcionamiento.