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Célula de carga

Introducción a la célula de carga

Las células de carga (o celda de carga) es un transductor que convierte la fuerza aplicada sobre el en una señal electrica medible. A pesar de existir varios tipos de sensores, las células de carga son el sensor de fuerza más común del mercado.

Puente de Wheatstone con compensación de la temperatura
Puente de Wheatstone con compensación de la temperatura

Más información sobre células de carga

Origen de la célula de carga

Tension and compression load cell Antes de que las células de carga a base de galgas extensiométricas se convirtieran en el método de elección para aplicaciones de pesaje industriales, las básculas de palanca mecánicas fueron ampliamente usadas. Las básculas mecánicas pueden pesar de todo, desde pastillas hasta vagones de ferrocarril, y 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 o la detección de la fuerza desarrollada por palancas mecánicas. Los primeros sensores de fuerza incluyeron diseños hidráulicos y neumáticos.

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 el primer indicador de tensión de alambre de resistencia pegado se desarrolló en la década de 1940, no fue hasta que la electrónica moderna se puso al día, que la nueva tecnología se volvió técnicamente y económicamente viable. Desde ese momento, sin embargo, los medidores de deformación han proliferado tanto como componentes de báscula mecánicos así como células de carga independientes.

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

En aplicaciones que no requieren una gran precisión, como en la manipulación de material de granel y el pesaje de camiónes, las balanzas de plataforma mecánicas son todavía ampliamente utilizadas. Sin embargo, incluso en estas aplicaciones, las fuerzas transmitidas por las palancas mecánicas a menudo son detectadas por las células de carga, debido a su compatibilidad inherente con la instrumentación informatizada digital.

Principio de funcionamiento

Célula de carga de estilo botón 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).

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 la mayoría 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 psig. Todas las células de carga de metal también están disponibles y 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 incluyen el peso de tanques y recipientes. Para una máxima precisión, el peso del tanque debe ser obtenido localizando una célula de carga en cada punto de soporte, y sumando sus salidas. Como tres puntos definen un plano, el número ideal de puntos de soporte es tres. Las salidas de las células pueden ser enviadas a un totalizador hidráulico que resume las señales de las células de carga y genera una salida que representa la suma. Los totalizadores electrónicos también pueden ser utilizados.

Las células de carga neumáticas también operan en el principio de equilibrio de fuerzas. Estos dispositivos utilizan multiples 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 extensométricas convierten la carga que actúa sobre ellas en señales eléctricas. Los propios medidores están unidos a una viga o elemento estructural que se deforma cuando se le aplica un peso. En la mayoría de los casos, se utilizan cuatro medidores de deformación para obtener la máxima sensibilidad y compensación de temperatura. Dos de los medidores están por lo general en tensión, y dos en compresión, y se conectan con ajustes de compensación (como se muestra abajo, izquierda). Cuando se aplica un peso, la tensión cambia la resistencia eléctrica de los medidores en proporción a la carga.



Elegir una célula de carga

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Compression Load Cell Célula de carga de compresión
Las células de carga de compresión con frecuencia tienen un diseño de botón integral. Son ideales para montarse en situaciones en las que el espacio está restringido. Ofrecen excelente estabilidad a largo plazo.
Compression/Tension Load Cell Célula de carga de compresión/tensión
Las células de carga de compresión/tensión se pueden usar para aplicaciones en las que la carga puede pasar de tensión a compresión o viceversa. Son ideales para entornos con espacio restringido. Los extremos roscados permiten una instalación fácil.
S-Beam Load Cell Célula de carga de viga en S
Las células de carga de viga en S reciben ese nombre por su forma en S. Las células de carga de viga en S pueden ofrecer una salida si está bajo tensión o compresión. Las aplicaciones incluyen nivel de tanque, tolvas y básculas para camión. Ofrecen un rechazo superior a la carga lateral.
Bending Beam Load Cell Las célula de carga de viga flexible
Las célula de carga de viga flexible se usan en aplicaciones de varias células de carga, medición de peso de tanque y control industrial y de proceso. Vienen con construcción de bajo perfil para integración en áreas restringidas.
Platform and Single Point Load Cell Célula de carga de plataforma y punto único
Las células de carga de plataforma y punto único se usan para sistemas de medición de peso comerciales e industriales. Proporcionan lecturas precisas in importar la posición de la carga en la plataforma.
Canister Load Cells Célula de carga de cartucho
Las células de carga de cartucho se usan para aplicaciones para medición de peso individual y múltiple. Muchas tienen un diseño totalmente en acero inoxidable y están herméticamente selladas para áreas de lavado y húmedas.
Low Profile Load Cell Célula de carga de bajo perfil
La células de carga de compresión y tensión/ compresión. Los orificios de montaje y las roscas hembra permiten una instalación fácil. Se usan con frecuencia en investigación de medición de peso y en monitoreo de fuerza en línea

Preguntas frecuences

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Comparación del rendimiento de las células de carga

Comparación de rendimiento de células de cargas
Tipo Rango de peso Precisión (FS) Aps Fortalezas Debilidades
 Células de cargas mecánicas
Células de carga hidráulicas Hasta 5000 toneladas 0,25% Tanques, depósitos y tolvas, zonas peligrosas Soporta altos impactos, insensibles a la temperatura Costosas, complejas
Células de carga neumáticas Amplia Alta Industria alimentaria, zona s peligrosa s Intrínsecamente seguras, no contienen líquidos Respuesta lenta, requiere aire limpio y seco
Células de carga de flexión de viga 5 a 2500 Kg 0,03% Tanques, básculas de plataforma Bajo costo, construcción sencilla Extensómetros están expuestos, requieren una protección
 Células de carga extensométricas
Células de carga de flexión de viga 5 a 2500 Kg 0,03% Tanques, básculas de plataforma Bajo costo, construcción sencilla Extensómetros están expuestos, requieren una protección
Células de carga de cizallamiento 5 a 2500 Kg 0,03% Tanques, básculas de plataforma , cargas descentradas Rechazo de altas cargas, mejor sellado y protección  
Células de carga de depósitos hasta 250 toneladas 0,05% Camiones, tanques Sirven para movimientos de carga Ninguna protección de carga horizontal
Células de carga de anillo y panqueque hasta 250 toneladas   Tanques, recipientes, básculas Todo en acero inoxidable Ningún movimiento permitido
Células de carga de botón y arandela 0 a 25 toneladas / 0 a 100 Kg típico 1% Básculas pequeñas Pequeñas, económicas Cargas deben centrarse, ningún movimiento de carga permitido
 Otras células de carga
Helicoidal 0 a 20 tonnes 0,2% Plataformas, carretillas, cargas rodadas, peso de asientos automovilísticos Soportan cargas desalineadas, sobrecargas, descargas  
Fibra óptica   0,1% Cables de transmisión eléctricos, montaje de tornillo o perno Inmunes a RFI/EMI y altas temperaturas, intrínsecamente seguras  
Piezoresistivo   0,03%   Extremadamente sensibles, alto nivel de salida de señal Alto costo, salida no lineal


Configuración de las células de carga



Elementos de resorte de células de carga Los elementos de resorte en una célula de carga (también llamada la "viga") pueden responder a la tensión directa, flexión o cizalladura. Ellos generalmente son llamados por nombres tales como viga de flexión, viga de cizallamiento, columna, bote, helicoidales, etc (como se muestra a continuación). Los dos diseños más populares para aplicaciones de pesaje industriales son las células de viga de flexión y de viga de cizallamiento.

El sensor de viga de flexión es uno de los diseños de células de carga más populares debido a su simplicidad y costo relativamente bajo. Se compone de una viga recta conectada a una base en un extremo y se carga en el otro. Su forma puede ser la de una viga en voladizo, una diseño "binocular" o un diseño de "anillo". Los medidores de deformación están montados en la parte superior e inferior para medir las fuerzas de tensión y de compresión. Debido a que los medidores de tensión son vulnerables a los daños, por lo general son cubiertos por un fuelle de caucho. La propia viga a menudo está hecha de acero de aleación resistente y protegida por el niquelado.

En la instrumentación médica, robótica, o similares aplicaciones de baja carga, pequeños sensores están disponibles para la medición de cargas de hasta cerca 40 libras (18 kg). Para cargas de hasta 230 gramos, la viga es de cobre berilio, y para cargas más grandes, se usa el acero inoxidable. En este diseño, los medidores de deformación típicamente están protegidos por un revestimiento de uretano.

Los diseños de anillo o de panqueque son sensores de viga de flexión redondos y planos que consisten en indicadores de tensión/galgas extensométricas de aluminio encapsuladas en una carcasa de acero inoxidable. El paquete entero se parece a un panqueque plano. Los sensores de compresión se pueden montar en un montaje autolineable protector que limita el movimiento de carga y dirige la carga hacia el centro del panqueque. Los diseños de compresión-tensión tienen un agujero roscado que atraviesa completamente el centro del sensor. Las membranas de estabilización están soldadas al botón de carga de detección.

Célula de carga de recipiente alta capacidad típica Los sensores de viga de cizallamiento miden el cizallamiento causado por una carga. Un sensor de viga de flexión no puede medir el cizallamiento, porque la tensión de cizallamiento cambia a través de la sección transversal de la célula. En un sensor de cizallamiento, la construcción de de viga I-beam produce un cizallamiento uniforme que puede medirse con exactitud por medidores de deformación. Un sensor de viga de cizalladura está provista con un par de medidores de deformación instalados en cada lado de la viga I-beam, con las líneas de la cuadrícula orientadas a lo largo de los ejes principales. Las ventajas de un sensor de viga de cizallamiento sobre una viga a flexión incluyen una mejor manipulación de las cargas laterales y fuerzas dinámicas, así como un retorno más rápido a cero.

Células de carga de tensión directa (o columna/recipiente) son esencialmente sensores de viga de flexión montados en una columna dentro de un recipiente resistente y redondo. El sensor de viga está montado verticalmente, con dos de los cuatro medidores de deformación montados en la dirección longitudinal. Los otros dos están orientados transversalmente. La columna puede ser cuadrada, circular, o circular con pisos mecanizados por los lados para acomodar los medidores de deformación.

Si se proporciona con un ensamble de la cuneta o con rodamientos basculantes autocompensadores, una célula de carga de filtro puede tolerar una cierta cantidad de movimiento del tanque y es relativamente insensible al punto de carga. Además, el envase protege los medidores de deformación de daños físicos y ambientales. Las células de cartucho varían en tamaño de "taco" de 38 mm de diámetro con una capacidad de 50-250 kg hasta células de compresión de 165 mm de diámetro adecuados para el pesaje de camiones, tanques y tolvas de hasta 250.000 kg.

Las Células de carga helicoidales son más capaces de soportar cargas fuera del eje que las células de compresión de tipo cartucho. El funcionamiento de una célula de carga helicoidal está basada en la de un resorte. Un resorte equilibra la fuerza de carga por su propio momento de torsión. La reacción de torsión se desplaza desde la parte superior de la hélice a la parte inferior. Al medir este momento de torsión con medidores de deformación montados en el resorte, una célula de carga helicoidal puede proporcionar una medición de carga razonablemente precisa sin la necesidad de estructuras de montaje costosas. Las fuerzas causadas por la carga asimétrica o fuera del eje tienen poco efecto sobre el resorte, y los sensores extensométricos pueden medir tanto las fuerzas de tensión y de compresión.

Una célula de carga helicoidal puede ser montada sobre superficies rugosas, incluso cuando las superficies superior e inferior no son paralelas, y el error total puede permanecer dentro de 0,5%. La célula de carga helicoidal también es resistente a choques y sobrecargas (puede soportar una sobrecarga mil veces superior), por lo que es ideal para las mediciones de fuerza o carga en los ejes o asientos de vehículos, o en aplicaciones de montacargas.

Las células de carga unidas de botón y arandela planas están disponibles en tamaños de 6 a 38 mm de diámetro. Los sensores más pequeños sólo están disponibles en estilos de compresión, pero algunas de las células más grandes tienen agujeros roscados para también medir la tensión. Aunque la mayoría de los sensores diminutos soportan hasta aproximadamente 100 Kg, algunos son capaces de medir hasta 25 000 kg. Debido a que estas células pequeñas no tienen accesorios o flexuras, las cargas fuera del eje y del desplazamiento no se pueden tolerar. Por otro lado, las células de carga pegadas de botón y arandela planas son extremadamente convenientes y fáciles de usar. Incluso el más pequeño de los sensores está construido de acero inoxidable, tiene un puente Wheatstone con cuatro brazos, y puede medir hasta 100 Kg a temperaturas de hasta 800 ° C.