Celdas De Carga. 

1. IntroducciónEn la actualidad, las celdas de carga están siendo utilizadas en muchos lugares, desde una báscula para pesar frutas en el súper, hasta básculas para medir el peso de una persona o de un transporte público. Es muy seguro que ya hayas utilizado una sin darte cuenta, en este tutorial aprenderás sobre los tipos de celda de carga y el uso de estas.

2. ¿Qué es una celda de carga?Una celda de carga es un transductor utilizado para convertir una fuerza en una señal eléctrica. Esta conversión empieza a partir de un dispositivo mecánico, es decir, la fuerza que se desea medir, deforma la galga extensiométrica. Y por medio de medidores de deformación (galgas) obtenemos una señal eléctrica con la cual podemos obtener el valor de la fuerza.

 

3. ¿Cómo funcionan?Las celdas de carga convierten la carga que actúa sobre ellos en señales eléctricas. La medición se realiza con pequeños patrones de resistencias que son usados como indicadores de tensión con eficiencia, a los cuales llamamos medidores.Los medidores están unidos a una viga o elemento estructural que se deforma cuando se aplica peso, a su vez, deformando el indicador de tensión. Cuando se deforma el medidor de deformación la resistencia eléctrica cambia en proporción a la carga.Esto se logra por medio de un puente Wheastone, el cual se utiliza para medir resistencias desconosidas mediante el equilibrio de “brazos” del puente. Estos están construidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado. En el caso de las celdas de carga las resistencias son los medidores de deformación.

Puente Wheastone.

 

4. ¿Cómo compensan los cambios de temperatura?Los cambios en el circuito causado por la fuerza son mucho más pequeños que los cambios causados por la variación de la temperatura. Las células de carga de mayor calidad cancelan los efectos de la temperatura. Algunos aíslan lo más posible las celdas de carga y las diseñan para cierto rango de temperaturas, mientras que las más importantes o eficientes, utilizan celdas de carga idénticas a las que se someten a la fuerza, pero estas están libremente colocadas sin ser afectadas por la fuerza a medir, de modo que por medio de estas se puede conocer cuál es la fuerza neta aplicada para la medición de esta. 

5. Tipos de celda y su uso.Existen diferentes tipos de celda de carga, para elegir bien, debes saber qué tipo de aplicación se puede hacer con cada una, o como ejercen su función. A continuación se expondrán los tipos de celdas básicos.

 

5.1 Celdas de carga con un solo punto

Estas celdas de un solo punto se utilizan en pequeñas escalas, como joyas, o balanzas de cocina, existen celdas de máximo 100g hasta celdas de máximo de 50kg. Esta se monta por medio de pernos hacia abajo en cada extremo de la celda de carga, donde los cables se unen, y la aplicación de la fuerza debe ser en el sentido de la flecha lateral. Donde se aplica la fuerza, no es una zona crítica, ya que esta celda de carga mide un efecto de elasticidad sobre la viga, no la flexión de la viga. De tal manera que si se monta una pequeña plataforma en la celda de carga, como se haría en una pequeña escala, esta celda proporcionaría lecturas precisas, independientemente de la posición de la carga en la plataforma.

Señal de cómo debe ir colocada la celda, y la dirección ideal de la carga.

 

5.2 Celdas de carga de botón.

Esta celda de botón de carga se utiliza en aplicaciones que requieren un factor de forma más delgada, ya que esta, atornillada por la parte de abajo, debe presentar la fuerza de manera tangencial (empujando exactamente hacia abajo) a la superficie montada para tener una buena medición.

Celda de carga tipo “botón”

 

5.3 Celdas de carga tipo S

Esta celda de carga tipo S, puede ser operada en comprensión o tensión como se ilustra en los diagramas a continuación.

Celda de carga tipo “S”.

 

6. Calibración.Usted puede utilizar la siguiente fórmula para convertir la salida mv/V a partir de la celda de carga de una fuerza ya medida.

 Peso o Fuerza esperada = K x (Medición mV/V – Compensación)Donde “K” es la ganancia que va a cambiar dependiendo la unidad de fuerza o de peso que se desea medir. El desplazamiento varía entre las celdas individuales, por lo que es necesario tomarse en cuenta para cada sensor por separado.Es importante inicialmente registrar la salida que tiene el sensor mientras está en reposo, para así considerar las variaciones actuales de temperatura. Una vez conociendo la compensación adecuada, con un peso conocido podemos resolver la ecuación para “K”.También puede calibrar la celda de carga con múltiples pesos conocidos y usar estos para modelar una ecuación lineal. 

7. Propiedades de las celdas de carga.Es necesario conocer algunas características en las celdas de carga según la aplicación en la que se utilizara. A continuación se muestran algunas.

 

Capacidad (capacity):

Esta es la carga máxima que la celda de carga está diseñada para medir, sin sufrir deformaciones o errores considerables en su medición. 

Arrastre (creep):

Es el cambio en la salida del sensor que se producen a más de 30 minutos de carga o cerca de su capacidad máxima, o con todas las condiciones ambientales u otras variables.

 

Escala real (Full scale, FS):

Se utiliza para calificar el error. Es el cambio de salida cuando el sensor está cargado, se expresa como 0.1% FS y la salida sería de 1.0mV/V, la no linealidad máxima sería vista en todo el rango de operación como 0.001mV/V. Es decir si un sensor se está operando con un 10% de su capacidad, la no linealidad (para este ejemplo) seguiría siendo de 0.001mV/V, o el 1% del rango de trabajo que en realidad se está utilizando.

 

Histéresis.

Consiste en la tendencia de un material a conservar sus propiedades posteriormente a un estimulo generado. Es decir la capacidad de la celda de identificar cuando está a su 50% de cpacidad y posteriormente ponerse a prueba con el mismo elemento y que identifique que de nuevo se encuentra a su 50% de capacidad. Es importante recalcar que este no es algo muy relevante a considerar si se está operando en el rango recomendable la celda, pero muy importante si se llega a exceder en algún momento la sobre carga máxima.

 

Tensión de excitación

Especifica la tensión que se puede aplicar a las terminales de alimentación sobre la celda de carga. 

Sobre carga máxima.

La carga máxima que se pueda aplicar sin producir un fallo estructural. 

No linealidad

Idealmente la salida del sensor es perfectamente lineal. E idealmente la calibración con dos puntos describirá exactamente el comportamiento del sensor con cualquier otra carga, sin embargo en la práctica, el sensor no es perfecto, y la no linealidad describe la desviación máxima de la curva lineal. Es por esto que para una calibración alta se requiere la descripción de múltiples puntos.

 

Temperatura de funcionamiento.

Los extremos de temperatura ambiente dentro de la cual la celda opera sin cambio adverso. Y no cambia su rendimiento. 

Resolución

La resolución no es una característica de las celdas de carga, más bien se basa en el equipo que se está utilizando para medir la fuerza con la celda de carga. Esta se ve afectada directamente por la ganancia con la que se está manejando la celda. Además del ruido presente el cual evitaría tener lecturas fiables.

 

Temperatura compensada

El rango de temperaturas en el que se compensa la celda de carga para mantener la medición y el equilibrio dentro de los límites especificados.

 

Efecto de la temperatura sobre Span

Span también se llama a la salida nominal. Este valor es el cambio de producción debido a un cambio de 1°C de temperatura sobre el ambiente.

 

Balance cero.

Este define la diferencia máxima entre los cables de salida cuando no se aplica carga. Si la diferencia es muy alta, es muy difícil ajustarse a una ganancia muy alta.El tener un entendimiento claro de la manera exacta en la cual una carga tiene que ser colocada sobre una celda de carga les ayudará tanto en diseñar una vasija que ha de ser equipada con las celdas de carga y en el escoger la clase correcta de celdas de carga y los montajes para su aplicación.

Lo ideal

Se derivan las especificaciones de las celdas de carga bajo condiciones de laboratorio en donde la carga es aplicada a la celda bajo condiciones casi perfectas. El rendimiento de las celdas de carga en una aplicación de pesaje de un proceso actual pueden ser degradadas en gran manera si no toman cuidado acerca de los medios por los cuales la carga es aplicada a la celda.

La superior muestra una arreglo típico de montaje para una viga al corte. El termino fijo queda sujetado a una fundación “rígida” mientras que el extremo libre es voladizo para permitir que se encorve hacia abajo cuando se aplica una carga (F). Bajo condiciones ideales, la superficie de montaje será plana, horizontal, y perfectamente rígida. La carga F se introducirá verticalmente con las más mínimas fuerzas ajenas aplicadas, y la celda de carga será totalmente insensible a toda fuerza menos las que son exáctamente verticales.

Alambrado

Una celda de carga puede tener un cable con cuatro o seis hilos. Una celda de carga con seis hilos, además de tener líneas de + y - señal y líneas de + y - excitación, también tiene líneas de + y - sensado. Estas líneas de sensado están conectadas a las conexiones de sensado del indicador. Estas líneas comunican al indicador cuál es el voltaje actual en la celda de carga. A veces hay una caída de voltaje entre el indicador y la celda de carga. Las líneas de sensado envían información de vuelta al indicador. El indicador luego ajusta su voltaje para compensar por la perdida de voltaje o amplifica la señal devuelta para compensar por la perdida de alimentación a la celda. Los hilos de la celda de carga están diferenciados con colores para ayudar establecer las conexiones correctas. La hoja de datos de calibración para cada celda de carga contiene la información sobre la diferenciación por colores para esa celda. La estructura eléctrica interna es como se muestra en el diagrama de abajo, y solo tendremos acceso a los terminales (E+ E-, +Sig y -Sig) .

Datos de calibración

La mayoría de las celdas de carga vienen con una hoja de datos de calibración o un certificado de calibración. Esta hoja les da los datos pertinentes a su celda de carga. La hoja de datos está apareada con la celda de carga por el número de modelo, el número de serie, y su capacidad. Otra información encontrada en una hoja típica de datos de calibración son: la salida expresada en mV/V, el voltaje de excitación, la falta de línealidad, el histéresis, el balance de cero, la resistencia de entrada, la resistencia de salida, el efecto de la temperatura sobre la salida y el balance de cero, la resistencia del aislamiento, y la longitud del cable. La diferenciación de los alambres por colores también está incluida en la hoja de datos de calibración.

Salida

La salida de una celda de carga no solo es determinada por el peso aplicado, sino también por la fuerza del voltaje de excitación y su sensibilidad clasificada V/V de la capacidad entera de la báscula. Una salida típica para una celda de carga a plena capacidad es de 3 milivoltios/voltio (mV/V). Esto quiere decir que para cada voltio de voltaje de excitación que se aplica a su capacidad total, habrán 3 milivoltios de señal de salida. Si tenemos 100Kg aplicados a una celda de carga de 100Kg con 10 voltios de excitación aplicados, la fuerza de la señal será de 30mV. Eso es 10V x 3mV/V=30mV. Ahora apliquemos solo 50Kg a la celda, manteniendo nuestro voltaje de excitación en 10 voltios. Dado que 50Kg es 50% o la mitad de una carga completa, la fuerza de señal de la celda de carga sería de 15mV.

La situación anterior, nos lleva a considerar respecto a la celda que poseemos de aproximadamente 2mV/V y alimentada a 5 V lo siguiente:

Cuando la celda sea cargada con 15Kg, esta entregara un voltaje de 5V* 2mV/V=10mV. La curva de respuesta aproximad seria como se muestra a continuación:

Finalmente para obtener el valor en la unidad requerida (Kg) solo hay que multiplicar por el factor apropiado, el cual para el caso mostrado es:

Peso=1500*Vo Siempre y cuando no se requiera compensación.