¿Qué es una célula de carga?
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Una célula de carga es un sensor de medición de precisión, un transductor de fuerza que convierte una fuerza mecánica en una señal eléctrica que puede medirse, acondicionarse y analizarse. Cuando se aplica una fuerza (por ejemplo, tensión, compresión, cizallamiento, par, etc.), una célula de carga convierte esta fuerza en una señal eléctrica de salida que cambia proporcionalmente a la fuerza aplicada.
Los sensores de células de carga permiten realizar mediciones de fuerza coherentes y fiables y se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones de pesaje y otras mediciones de fuerza. Esto incluye el pesaje de productos en el comercio y la logística, garantizar la seguridad, permitir la automatización y calibrar dispositivos. Se utilizan en muchas industrias, como envasado, automoción, procesamiento químico, agriculturaconstrucción, médicofarmacéutica, pruebas y medición, robótica y mucho más.
Existen muchos tipos de células de carga que convierten la fuerza de forma diferente en algún tipo de salida, como las neumáticas/hidráulicas, piezoeléctricas, de cuerda vibrante y de galgas extensométricas. Las células de carga que utilizan la tecnología de galgas extensométricas son las más comunes y se encuentran en la mayoría de las aplicaciones industriales y comerciales. Las células de carga basadas en galgas extensométricas son las preferidas por su versatilidad, durabilidad y relativa rentabilidad.
Como "nervio" de la mayoría de las básculas electrónicas y sistemas de pesaje, las células de carga permiten el comercio de todos los bienes físicos y maximizan la eficiencia al proporcionar un sensor de peso estandarizado y consistente en el corazón de las básculas. En las aplicaciones industriales, las células de carga no son sólo componentes de las básculas, sino que son fundamentales como sensores de medición de fuerza para una amplia gama de aplicaciones que van desde unos pocos gramos a cientos de toneladas, incluidos los procesos automatizados, la garantía de calidad, la calibración de equipos, la supervisión de la seguridad y mucho más.
1. Células de carga extensométricas
1.1 ¿Qué es una célula de carga extensométrica?
Las células de carga de galgas extensométricas son la forma más común de células de carga en aplicaciones industriales y comerciales, ya que ofrecen un alto nivel de precisión a la vez que son capaces de soportar condiciones adversas. Su diseño sencillo pero eficaz facilita la integración en una amplia gama de equipos, desde básculas de laboratorio de alta precisión hasta sistemas de pesaje industrial de alta resistencia.
Las células de carga de galgas extensométricas convierten la deformación de un cuerpo metálico en mediciones en forma de cambios proporcionales de la resistencia eléctrica.
Una célula de carga extensométrica se basa en 2 componentes críticos:
- Elemento: Pieza de metal mecanizada que se deforma de manera uniforme en proporción a la fuerza aplicada.
- Galgas extensométricas: Tipo de resistencia variable que cambia de salida de resistencia en proporción a la deformación del metal.
1.2 Galga extensométrica
Las galgas extensométricas, como resistencias variables, responden a la deformación física alterando su resistencia eléctrica, un cambio que se mide con precisión cuando se integran en un circuito de puente de Wheatstone. Esta configuración, que incluye cuatro brazos resistivos interconectados de los que al menos uno es una galga extensométrica, no sólo permite medir la resistencia con gran precisión, sino que también compensa los errores inducidos por la temperatura y mejora la sensibilidad a las pequeñas variaciones de resistencia inducidas por la deformación. El resultado es una señal de salida estable y repetible, crucial para las mediciones de fuerza y peso de alta precisión.
1.3 Elemento de la célula de carga
Un elemento sensor es una pieza metálica mecanizada con precisión (normalmente de acero de aleación de alta calidad, acero inoxidable o aluminio) a la que se adhieren las galgas extensométricas. El elemento no sólo actúa como una carcasa duradera que protege las delicadas galgas, sino que también posee propiedades cuidadosamente calibradas que le permiten deformarse de forma controlada.
El elemento puede tener diversas formas y tamaños, lo que permite integrar fácilmente las células de carga de galgas extensométricas en una amplia gama de aplicaciones grandes y pequeñas.
Más información formas habituales de las células de carga.
2. Células de carga hidráulicas
2.1 ¿Qué son las células de carga hidráulicas?
Las células de carga hidráulicas contienen una cámara llena de fluido y un pistón. Cuando se aplica una fuerza al pistón, éste ejerce presión sobre el fluido hidráulico, que se mide con un manómetro o transductor para indicar la fuerza.
La construcción de las células de carga hidráulicas las hace intrínsecamente robustas y adecuadas para el pesaje de alta capacidad, ya que pueden soportar entornos difíciles y cargas pesadas. Tampoco les afectan las fluctuaciones de los campos eléctricos.
Sin embargo, las células de carga hidráulicas tienen ciertas limitaciones. Pueden ser menos sensibles que las células de carga electrónicas, lo que las hace inadecuadas para mediciones dinámicas en las que se producen cambios rápidos. La viscosidad del fluido hidráulico también puede variar con la temperatura, lo que puede afectar a la precisión de la medición.
Además, los sistemas hidráulicos requieren un sellado estricto para evitar fugas, lo que puede complicar el mantenimiento. La complejidad y el tamaño de las células de carga hidráulicas también pueden limitar su aplicación en espacios donde se requiere compacidad. A pesar de estos inconvenientes, su durabilidad y precisión en la medición de fuerza en estado estacionario las convierten en una valiosa herramienta para determinadas aplicaciones industriales.
3. Células de carga neumáticas
3.1 ¿Qué son las células de carga neumáticas?
Las células de carga neumáticas utilizan la presión del aire para medir la fuerza. Estas células aprovechan los principios de la dinámica de fluidos, donde la fuerza mecánica aplicada a un diafragma se traduce en cambios en la presión del aire que luego se mide.
Cuando se aplica una carga, se produce una deformación en un diafragma dentro de la célula de carga neumática. Esta deformación cambia el volumen dentro de la célula, lo que a su vez afecta a la presión del aire. La presión se estabiliza entonces en un punto de consigna añadiendo o soltando aire. La cantidad de presión de aire necesaria para alcanzar este equilibrio es indicativa de la fuerza aplicada y se mide mediante un sensor de presión.
Aunque las células de carga neumáticas son más seguras para su uso en entornos volátiles debido a su ausencia de componentes eléctricos, presentan varios inconvenientes. Sus tiempos de respuesta pueden ser más lentos que los de las células de carga electrónicas, y la precisión puede verse afectada por los cambios de presión y temperatura del aire ambiente. También suelen tener menor resolución, lo que las hace menos adecuadas para aplicaciones en las que las mediciones precisas son cruciales.
4. Células de carga piezoeléctricas
4.1 ¿Qué son las células de carga piezoeléctricas?
Las células de carga piezoeléctricas miden la fuerza basándose en el efecto piezoeléctrico, en el que ciertos materiales (como el cuarzo) producen una carga eléctrica en respuesta a una tensión mecánica aplicada.
Cuando se ejerce una fuerza, las propiedades inherentes del elemento piezoeléctrico hacen que genere una tensión proporcional a esa fuerza. Esta reacción inmediata se capta y convierte en una señal eléctrica legible, normalmente mediante un amplificador de carga.
A pesar de su rápida respuesta y alta precisión para cargas dinámicas, las células de carga piezoeléctricas son menos adecuadas para mediciones estáticas debido a la posible fuga de carga con el tiempo. No obstante, su capacidad para detectar rápidamente los cambios de fuerza es beneficiosa para las aplicaciones que miden la fuerza transitoria.
5. Células de carga de cuerda vibrante
5.1 ¿Qué son las células de carga de cuerda vibrante?
Las células de carga de cuerda vibrante utilizan el principio del cambio de frecuencia en un alambre tensado para medir la fuerza. Este tipo de célula de carga consta de:
Alambre tensado: Alambre metálico anclado en ambos extremos dentro de la célula.
Bobina magnética: Rodea el alambre, se utiliza para inducir la vibración y medir la frecuencia natural del alambre.
La mecánica de la tecnología de cuerda vibrante consiste en punzar la cuerda con un campo electromagnético que la hace vibrar. La frecuencia de vibración cambia en proporción directa a la tensión del hilo, que varía con la fuerza o carga aplicada. Este cambio de frecuencia se convierte en una señal eléctrica que puede leerse e interpretarse como una medida de fuerza.
Las células de carga de cuerda vibrante son conocidas por su estabilidad y fiabilidad durante largos periodos y son menos susceptibles a la deriva que otros tipos. Sin embargo, su fabricación puede ser más compleja y pueden ser sensibles a las variaciones de temperatura, que pueden afectar a la tensión del hilo y, por tanto, a la precisión de las mediciones de frecuencia. Su durabilidad los hace adecuados para aplicaciones geotécnicas y de monitorización a largo plazo, en las que las condiciones ambientales pueden variar significativamente.
¿Dónde se encuentran las células de carga?
Cada producto doméstico ha sido pesado muchas veces antes de acabar en manos del consumidor.
Las células de carga pueden encontrarse en cualquier lugar en el que sea necesario medir una fuerza o un peso, especialmente en aplicaciones en las que se necesita un mayor nivel de precisión o durabilidad. Las células de carga se utilizan para medir desde varios cientos de toneladas o más hasta unos pocos gramos o menos, y son esenciales para casi todas las industrias que deben manipular productos físicos.
Desde la producción hasta la entrega, las células de carga desempeñan un papel fundamental.
Para ilustrar el papel integral de las células de carga, consideremos el recorrido de una pila de papel de impresión A4:
Las células de carga y los transductores de fuerza se utilizan desde el momento en que un brazo mecánico equipado con una célula de carga levanta y pesa un árbol recién talado, hasta las básculas de camiones que determinan la masa de la madera talada en cumplimiento de la normativa de seguridad en el transporte y la silvicultura. Incluso en la planta de procesamiento de papel, las células de carga son fundamentales en los sistemas transportadores, ya que garantizan el control del peso de la fibra bruta antes de su procesamiento. Tras la producción, el peso del papel se comprueba meticulosamente para verificar la uniformidad del lote. Por último, cuando los palés de papel entran y salen de los almacenes, las células de carga validan el peso de la carga para la gestión de inventarios, y cuando se realiza un pedido de paquetes de papel A4, se pesan para calcular con precisión el coste del transporte antes del envío.
¿Por qué se utilizan tanto las células de carga con galgas extensométricas?
Las células de carga de galgas extensométricas destacan por su precisión, versatilidad y fiabilidad, lo que las hace indispensables en diversos sectores. Su adaptabilidad para medir un amplio espectro de rangos de peso o fuerza -desde miligramos hasta libras-pulgada o kilotones- satisface los diversos requisitos de numerosas aplicaciones.
En precisión de las galgas extensométricas, que traduce minúsculas deformaciones físicas en señales eléctricas, garantiza la precisión en la medición del peso y la fuerza. Esta precisión es fundamental para mantener el control de calidad en todas las líneas de producción y garantizar el cumplimiento de las normas reglamentarias.
Durabilidad es otro factor clave; las células de carga de galgas extensométricas están construidas para resistir, capaces de funcionar eficazmente en entornos hostiles y en condiciones industriales severas. Su robustez se traduce en longevidad y rendimiento constante, algo esencial para las operaciones continuas.
El relativo rentabilidad de las células de carga de galgas extensométricas también contribuye a su uso generalizado. Las células de carga de galgas extensométricas ofrecen un equilibrio entre mediciones de alta calidad y asequibilidad, algo vital para las empresas que buscan optimizar sus operaciones sin un gasto excesivo.
Además, el facilidad de integración La integración de estas células de carga en diferentes sistemas y su escalabilidad para aplicaciones personalizadas permiten su adopción sin problemas en las configuraciones tecnológicas existentes. Su alta sensibilidad a los cambios de peso garantiza la captación de las variaciones más leves, lo que permite un control preciso del proceso.
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