INTRODUCCIÓN.
En la determinación del peso de un objeto, se mide la fuerza de gravedad que actúa sobre él, con lo que se puede determinar la cantidad de materia que contiene, la unidad de medida del peso por tratarse de una fuerza es el Newton (N).
Cuando pesa usted en una báscula mide en Kilogramos (o libras dependiendo el sistema que utilice) que en realidad es la unidad de medida de la Masa, son unidades distintas ya que el peso esta determinado por la fuerza gravitacional del planeta, si esta cambiara, cambiaria el peso, mas no la masa, esta situación puede observarse en un transbordador espacial, que al salir de la órbita terrestre y alejarse de la fuerza gravitacional del planeta, los cuerpos empiezan a carecer de peso, si pudiera colocarlos en una báscula estos irían pesando menos conforme se alejaran del planeta, más su masa seguiría siendo la misma.
Las básculas son ajustadas tomando como referencia un patrón primario de masa que representa el valor del Kilogramo (kg), de donde se toma la referencia de la cantidad de fuerza que debe aplicarse en el receptor de carga de una báscula o balanza para que indique un valor de masa determinado y estandarizado, representativo del kg, por lo que se puede decir que pesan en kilogramos.
Las Celdas de Carga son los dispositivos que permiten medir la fuerza que ejercen los objetos colocados en el receptor de carga de un instrumento para pesar.
De acuerdo a la NOM-010-SCFI-2017 que entro en vigor a partir del 1 de Agosto del 2018, donde participan en su edición expertos en la materia, se define como un transductor de esfuerzo que, después de tener en cuenta los efectos de la aceleración de la gravedad y el empuje del aire en el lugar de uso, mide la masa convirtiendo la magnitud medida (masa) en otra magnitud medida (salida).
En el caso de las equipadas con electrónica que incluye amplificador, convertidor analógico a digital (ADC), y dispositivo de procesamiento de datos (opcionalmente), se denominan digitales.
Otras fuentes la definen como una estructura diseñada para soportar cargas de compresión, tensión y flexión, en cuyo interior se encuentra uno o varios sensores de deformación llamados Strain Gauges que detectan los valores de deformación.
La celda de carga digital produce esta deformación mediante circuitos wheatstone, que actúan en las bases de la máquina o sistemas de pesaje para encontrar reacciones, una vez obtenida la resistencia, se produce la transducción y se puede obtener el valor que la máquina resiste.
Nuestra definición para el caso de una celda de carga analógica es la siguiente:
Dispositivo que es sensible a una fuerza aplicada que deforma su estructura, cambiando proporcionalmente la impedancia de sensores de deformación (galgas extensométricas) adheridos a su superficie, conectados entre sí en una configuración de puente de Wheatstone, que al ser energizado, transduce la energía mecánica a una señal eléctrica directamente proporcional a la fuerza aplicada y a la deformación de su estructura.
CONCEPTOS:
Presión:
magnitud física que mide la proyección de una fuerza ejercida en una superficie determinada.
Compresión:
Este termino se utiliza para referir la fuerza aplicada perpendicularmente a un cuerpo.
Tensión:
La situación de un objeto que se localiza en medio de la influencia de fuerzas que ejercen atracción de formas opuestas sobre él, esta magnitud física simboliza la fuerza por unidad de área en el entorno de un punto material sobre la superficie de un objeto, se aplica tanto a fuerzas localizadas como fuerzas distribuidas. Con el objeto de explicar cómo se transmiten a través de los sólidos las fuerzas externas aplicadas, este concepto físico es el más relevante de la teoría de la elasticidad en particular.
Elasticidad:
Característica mecánica de algunos materiales de tolerar deformaciones y de recuperar su forma inicial cuando son sometidos a la acción de una fuerza externa y al retirarla respectivamente.
Limite de elasticidad:
Tensión máxima que un material puede tolerar sin sufrir deformaciones permanentes, al rebasar este límite, los materiales presentan un comportamiento plástico que altera su forma permanentemente perdiendo su forma original cuando las fuerzas son retiradas. Si las fuerzas aplicadas al material no sobrepasan su limite de elasticidad recobrara su forma original al ser retiradas de lo contrario si siguen aumentando sobrepasaran este límite hasta alcanzar su punto de ruptura.
Ley de Hooke:
Para casos de estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre el:
ϵ =Ʌ / L. Donde ϵ = deformación, Ʌ= Alargamiento y L Longitud inicial.
Módulo de Young:
parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza.Extensómetro:
También nombrada galga extensiométrica, es un dispositivo que puede cambiar el valor de su impedancia cuando es deformado por alguna fuerza aplicada. Cuando un esfuerzo lo deforma producirá un cambio en su resistencia eléctrica. Estos dispositivos o sensores se utilizan para medir la deformación, se adhieren a la superficie del material que se desea analizar obteniendo una comparación directa de su resistencia eléctrica con las deformaciones longitudinales en cierto punto del material y puede implementarse para medir la deformación, presión, tensión, carga, par torsional, etcétera.
Refiriéndonos al tipo de extensómetros utilizados en celdas de carga para la medición de peso, están fabricados, la mayoría, en una delgada lamina metálica en forma de ondas, generalmente de cobre o alguna aleación de este metal para conseguir cierta elasticidad requerida de acuerdo con su aplicación, sobre un material aislante y flexible que es adherido a su superficie. Cuando se deforma, también lo hace el extensómetro, generando cambios en su impedancia.
Puente de Wheatstone:
circuito eléctrico que está constituido por cuatro resistencias eléctricas que forman un circuito cerrado, es un concepto muy sencillo que es el principio de funcionamiento de una celda de carga.
Su funcionamiento se basa en el divisor de voltaje con resistencias eléctricas si se tiene un circuito con dos resistencias iguales en el nodo central, tomando como referencia de medición la tierra, se tendrá la mitad del voltaje con que es alimentado el circuito. En el puente de Wheatstone se tienen dos divisores de voltaje conformados por 2 resistencias cada uno, se tienen cuatro nodos ilustrados en la siguiente figura:
Suponiendo que todas las resistencias son iguales, al medir el voltaje en los nodos 1 y 3 se tendrán 0 volts pues no habrá diferencia de potencial entre estos dos puntos ya que los dos tendrán el mismo valor de voltaje.
Si una de las resistencias cambia, proporcionalmente cambiara el voltaje en el nodo correspondiente, por lo que la diferencia de potencial en los nodos se hará presente y se incrementara proporcionalmente al cambio en la resistencia.
FUNCIONAMIENTO:
Existen varios tipos, diseñadas para diversas aplicaciones donde es necesario comprimir, tensionar o flexionar su estructura, para fines prácticos independientemente de la acción, nos referiremos a una deformación ocasionada por una fuerza.
El principio básico es el divisor de voltaje, comúnmente para explicar el funcionamiento se utiliza el concepto del puente de Wheatstone aunque en realidad muchas celdas de carga cuentan con arreglos resistivos mas complejos.
Adheridos a la superficie de una cuerpo metálico varias galgas extensométricas, conectadas entre sí en una configuración de puente de Wheatstone (entre otros arreglos de acuerdo a los fabricantes), todas con una resistencia eléctrica similar, para balancear el circuito y obtener, una vez energizado, una salida aproximadamente igual a cero Volts, que al recibir una fuerza mecánica, se deforman provocando en estos últimos una variación de su impedancia, esto provoca el desbalance del circuito y en la salida se obtendrá una diferencia de potencial directamente proporcional a la fuerza aplicada.
Determinado por el módulo de Young y la ley de Hooke, el cuerpo de una celda de carga (también conocida como célula de carga, sensor o transductor de peso), analógica, puede deformarse y regresar a su forma original, siempre y cuando su limite de elasticidad no sea sobrepasado, este limite nos indica la capacidad de carga de cada dispositivo.
TIPOS:
Existen varios tipos de celdas de carga y pueden ser clasificadas de diversas maneras comenzaremos a dividirlas por tecnologías, de estas existen dos, aunque el principio es el mismo, las analógicas y las digitales.
Analógicas:
Dentro de esta clasificación existen varios tipos que se definen por su diseño para recibir las fuerzas de carga y su forma.
Barra:
Viga:
Tipo S:
Doble apoyo:
Bote:
Disco:
Aunque en la actualidad se han fabricado mas tipos que no coinciden en las clasificaciones anteriores, como las de barra de carga que trabaja a tensión o las de viga delgada o las de columna basculante que las podríamos clasificar dentro de las de bote, las mencionamos para no omitir ninguna, pero nos enfocaremos en las primeras que son las mas comunes.
Digitales:
APLICACIONES
El diseño del montaje y la correcta selección de una celda de carga son lo que hace a un sistema de pesaje confiable.Las mas convencionales pueden proporcionarle una escala de 10,000 incrementos, lo que significa que si usted quiere pesar cargas de 1000 kg tendrá una resolución de 0,1 kg o representado de otra forma tendrá un 0.01 % de error en cada pesada de 1000 kg.
El error se incrementa al reducir la carga, por lo que si va a pesar objetos de 10 kg lo recomendable es pesarlos en otra báscula, todo depende de la cantidad que dese pesar y la incertidumbre que desee tener o que pueda afectar a sus procesos.
En el diseño o integración de un sistema de pesaje para una aplicación determinada, estos dispositivos nunca son el problema si no se obtiene la medición deseada, muchos factores ambientales y mecánicos son los que determinan el grado de precisión de un sistema.
Existe una diversidad muy grande de aplicaciones en la industria, desde una báscula convencional hasta sistemas de formulación automatizados y sistemas de medición de peso dinámicos, para cargas pequeñas de unos cuantos gramos hasta cientos de miles de kg, también se utilizan en la medición de fuerza, en sistemas de medición de fuerza de compresión, tención, torsión y punto de ruptura, de igual forma se utilizan para determinar otras variables como la humedad y la densidad de sólidos.
Un poco de conocimiento y sentido común hacen el sistema de pesaje ideal para su proceso, la experiencia acumulada a través de los años nos da la facilidad de ofrecerle soluciones rápidas y funcionales con Eficiencia, Eficacia y Efectividad.
De barra.
De entre una gran variedad de modelos puede elegir para diseñar o integrar a su proceso un sistema de pesaje, si lo único que requiere es pesar, una báscula es suficiente, generalmente las básculas de banco o de mesa y las de piso son la opción mas usada para pesar objetos, este tipo, utilizan en su gran mayoría celdas de carga de barra, con un punto de carga y uno de apoyo, single ended beam o sinle point (en inglés), en las de banco generalmente se utiliza una al centro de la plataforma de pesaje.
De viga.
En básculas de piso la celda de carga utilizada es la de tipo viga o shear beam, de bajo perfil, utilizando 4 de estas en cada esquina de la plataforma de pesaje. En sistemas de pesaje para tanques y tolvas de mediano alcance con módulos mecánicos que permiten integrarlas fácilmente y ayudan a absorber ciertas vibraciones o cargas laterales que pueden afectar la medición realizada.
Tipo S.
Aún pueden encontrarse básculas electromecánicas con sistemas de palancas y un sensor de peso, en estos casos es común encontrar celdas de carga de tipo S que trabajan a tensión.
En básculas de grúa la tipo S es la más utilizada, este tipo es por economía y diseño, una solución practica para este tipo de aplicaciones ya que su instalación es muy sencilla.
También las de tipo S son utilizadas en la medición de grandes cantidades de materiales en tolvas.
Se usan en sistemas de medición de fuerza de tensión como los tensiómetros, para medir el limite de elasticidad de ciertos materiales y el punto de ruptura.
De doble apoyo.
En aplicaciones industriales donde es necesario pesar grandes cantidades, es común encontrar este tipo de dispositivos, tambien conocidas como double ended beam en inglés, se encuentran en básculas para pesar camiones o ferrocarriles y en sistemas de pesaje para tanques y silos con montajes que pueden auto alinearse, resistir cargas laterales y los efectos de sismos, ofrecen una alternativa de mayor seguridad para el pesaje en contenedores de gran capacidad.
De bote.
Generalmente este tipo, es usado en básculas camioneras, ferrocarrileras, prensas, maquinas universales en la determinación de fuerza. Por su construcción son adecuadas para la medición del peso o la fuerza ejercida por grandes cargas.
CELDAS DE CARGA PARA TANQUES
Como ya explicamos en los diferentes tipos de aplicaciones en específico, las más usadas en sistemas de pesaje para tanques son las de viga y las de doble apoyo, dependiendo la capacidad y tipo de tanque así como la aplicación se selecciona la adecuada y el tipo de montaje con el que se integraran, en nuestro blog puede ver algunas recomendaciones y puntos importantes a tener en cuenta cuando desea realizar una instalación de un tanque o reactor (Problemas de pesaje en reactores:). Pueden también integrarse las de bote o de disco que requieren una nivelación mas precisa y contemplar mas estrictamente las deformaciones del tanque ocasionadas por la carga o los cambios de temperatura pues pueden afectar mucho más la medición al integrar este tipo de celdas.
CARACTERISTICAS:
Pueden ser fabricadas con una señal de salida de 2 mV o 3 mV por cada Volt de excitación esto es, si se tienen 10 Volts de excitación a la salida con una carga igual a su capacidad se tendrán 20 o 30 mV respectivamente.
Existen algunas con una señal de salida de 4 a 20 mA circuitos que en realidad son analógicas convencionales que trabajan con extensómetros y cuentan con la integración de un circuito electrónico que convierte la señal de 0 a 20 mV a 4 a 20 mA para ofrecer la conexión rápida a sistemas automatizados con PLC.
La temperatura de operación varia desde -20° a 60° C aunque algunas extienden un poco mas el rango de operación desde -40° hasta los 90° C.
La deformación de las barras es casi imperceptible varia en el rango de 10 a 20 milésimas de Pulgada y varía de acuerdo a su material de construcción, que pueden ser de aleaciones de acero o aluminio generalmente, al aplicar una carga equivalente a su capacidad esta se flexiona sin sobrepasar su limite de elasticidad, el modulo de Young para los diversos tipos de celdas de carga debe contemplar un porcentaje de protección para evitar sobrecargarla al aplicar cargas que exceden su capacidad o con una fuerza agregada por la inercia.
La impedancia de entrada es siempre mayor a la de salida, la mas común es de 350 Ohms en la salida o especificado en algunas como señales, y una impedancia de entrada de entre 350 a 450 Ohms en algunos casos especificada como excitaciones. En celdas de alto alcance o que son utilizadas en sistemas que requieren mas de 4, la impedancia es mayor para disminuir el consumo de corriente.
CODIGO DE COLORES EN CABLES.
Conexion de celdas de carga
El código de colores puede variar de acuerdo al modelo y marca, los más usados en las que cuentan con cuatro hilos son el negro, rojo, verde y blanco, incluyendo el azul y amarillo para las de seis cables. Para ser más específicos incluimos una tabla con el código de colores en .pdf de las más comunes para que pueda realizar la conexión que necesite, descargue datasheet.
Codigo de colores de cables en celdas de carga