1. Diseño y funcionamiento

Las células de carga se utilizan para medir peso y forman parte de nuestra vida cotidiana. Como dice Stefan Schmidt, Director de producto de HBM, “Hay células de carga por todas partes; lo mismo en nuestros coches que en las charcuterías”. Ahora bien, en general no nos llaman la atención porque están ocultas en el interior de otros aparatos.

De forma general, una célula de carga consiste en un elemento de muelle sobre el cual se instalan sgalgas extensométricas. Este elemento de muelle suele estar hecho de acero o aluminio. Es muy resistente, pero también presenta una mínima elasticidad. Como su nombre sugiere, este “muelle” de acero se deforma ligeramente en presencia de una carga y vuelve a su posición original cuando la carga desaparece. Dicho de otro modo: ofrece una respuesta elástica a cualquier carga. Esas pequeñas deformaciones del muelle se pueden medir utilizando galgas extensométricas. Finalmente, una electrónica de análisis interpreta la deformación de la galga extensométrica y determina el peso.

Para entender mejor este último punto, veamos más en detalle en qué consiste una galga extensométrica. Las galgas extensométricas son conductores eléctricos firmemente unidos a una película, siguiendo un patrón sinuoso. Cuando se tira de la película, esta, junto con los conductores, se alarga. Cuando la película se comprime, se acorta. Esas deformaciones producen variaciones en la resistencia de los conductores eléctricos. Dichas variaciones permiten calcular la deformación, puesto que la resistencia aumenta de forma proporcional a la elongación y disminuye con la contracción.

Las galgas extensométricas están firmemente fijadas al elemento de muelle y, en consecuencia, experimenten los mismos movimientos que este. Las galgas extensométricas se disponen en lo que se denomina un circuito de puente o, más concretamente, un puente de Wheatstone (ver diagrama). El circuito de puente consiste en cuatro galgas extensométricas conectadas en forma de “anillo”, alineadas sobre una rejilla de medición de fuerza.

Si se coloca un objeto sobre la célula de carga o se suspende de ella, es posible determinar el peso del objeto. La carga (peso) que mide una célula de carga debe estar siempre alineada en dirección al centro de la tierra, o sea, en la dirección de la gravedad. La célula solo mide ese componente de la carga, a diferencia de los transductores de fuerza, que tienen un diseño similar pero que, en general, están diseñados para medir cargas en cualquier dirección. La dirección de la fuerza de gravedad de la tierra no afecta a la instalación de un transductor de fuerza.

Stefan Schmidt, Director de producto, responsable de células de carga de viga de flexión y pasador basculante, y de módulos de pesaje de HBM

 

En este artículo, Stefan Schmidt explica cómo funcionan las células de carga. Esto es lo que más le gusta de ellas:

“No dejan de aparecer aplicaciones nuevas e interesantes. Es una tecnología con la que no hay tiempo para aburrirse.”

El diagrama muestra el aspecto de un posible circuito de puente de Wheatstone: en este ejemplo se han conectado cuatro galgas extensométricas formando un “anillo”.

1.1 ¿Qué tipo de célula? Depende de la aplicación...

Existen distintos tipos de células de carga para diferentes aplicaciones. Los más comunes son:

  • Monoplato: se sitúa una única célula de carga bajo una plataforma, sobre la cual se coloca un peso.
  • Flexión de viga: se colocan varias células de carga bajo una estructura de acero, la cual se carga desde arriba con un peso.
  • Compresión: se colocan varias células de carga de alta capacidad bajo una estructura de acero, la cual se carga desde arriba con un peso.
  • Tracción: se suspende un peso de una o más células de carga.

Asimismo, existen muchas células de carga con diseños especiales o en materiales con propiedades específicas. Estas propiedades pueden ser importantes si los requisitos de la aplicación lo exigen; por ejemplo, pensemos en los sistemas que deben limpiarse a fondo cada día. Algunas células de carga soportan este tipo de tratamientos sin dificultad, pero otras no.

Las células de carga también pueden clasificarse en función del tipo de señal que transmiten. Las digitales cuentan con una electrónica integrada capaz de procesar los resultados de medida y de presentarlos en un formato útil. En el caso de las células de carga analógicas se necesita para ello un dispositivo adicional; en concreto, un amplificador de medida.

En cada uno de los diagramas de más abajo se han colocado cuatro galgas extensométricas en el punto que experimenta una deformación máxima cuando se aplica una fuerza. Las flechas indican la dirección de aplicación de la fuerza.

Célula de carga de compresión
Célula de carga de flexión de viga
Célula de carga monoplato
Célula de carga de tracción

1.2 Otras consideraciones importantes sobre las células de carga

Una particularidad de las células de carga es que se ven influidas por el entorno en el que se utilizan, de distintas formas.

Temperatura ambiente

Todos los materiales experimentan cambios con la temperatura; se dilatan en respuesta al calor y se contraen en respuesta al frío. Las células de carga y sus galgas extensométricas también lo hacen, y eso introduce variaciones en la resistencia eléctrica del conductor. Sin embargo, las células de carga deben medir correctamente el peso en cualquier lugar del mundo, con independencia de cuál sea la temperatura ambiente. Por eso, todas las células de carga de HBM llevan integrado un sofisticado mecanismo de compensación de temperatura.

Las células de carga deben ser capaces de resistir diferentes efectos. Según nos explica Stefan Schmidt, “Pensemos en una báscula de vehículos expuesta a la intemperie: lluvia, suciedad y calor. Lógicamente, tiene que ser capaz de soportar las condiciones ambientales de exterior. Y esas condiciones no son las mismas en todas partes. Una báscula de vehículos en Siberia no se ve expuesta a los mismos efectos que en Sudáfrica, por ejemplo. Pero todas tienen una cosa en común: tienen que ser robustas y deben estar diseñadas para soportar condiciones ambientales extremas”.

Báscula de camiones equipada con células de carga de HBM

Aplicación de fuerza en otras direcciones (“fuerzas parásitas”)

Dependiendo del entorno técnico en el que se instale una célula de carga —por ejemplo, en un sistema para pesar contenedores o bajo una cinta transportadora—, pueden aparecer otras fuerzas aparte del peso. Se las llama “fuerzas parásitas” y pueden actuar sobre la célula de carga en la dirección principal deseada o de forma transversal, desde abajo o de cualquier otra manera. Como la célula de carga no está diseñada para tenerlas en cuenta, estas fuerzas introducen imprecisión en los resultados de medida o, directamente, producen lecturas erróneas. Para que no existan fuerzas parásitas —o para que sean lo más bajas posible—, la instalación debe realizarse con cuidado. Las piezas de montaje y los módulos de pesaje de HBM ayudan a los usuarios a minimizar estas fuerzas parásitas y a conseguir resultados de medida precisos.

2. Utilización de las células de carga

La primera aplicación de las células de carga que se viene a la mente son, por supuesto, las básculas, pero hay otras muchas. Pensemos, por ejemplo, en las plantas embotelladoras o en las máquinas de llenado por peso... en las que hay una célula de carga debajo de cada botella o lata. O en los sistemas de clasificación que distribuyen dulces o patatas en bolsas, para que todos los envases tengan el mismo peso al final del proceso.

“Es increíble la cantidad de aplicaciones en las que es preciso medir el peso”, comenta Stefan Schmidt

Igualmente, las células de carga tienen aplicaciones inusuales. Schmidt cita una: “Por ejemplo, nuestra célula de carga monoplato PW15iA se utiliza en el desarrollo de trajes de triatlón y bañadores, para medir la resistencia en el agua de los neoprenos para nadadores de élite”.

Como resultado de sus investigaciones sobre los efectos de la resistencia hidrodinámica de diferentes neoprenos para nadadores de élite, la empresa Huub Ltd. está ultimando su nuevo sistema M16 de medición de la resistencia hidrodinámica, que utiliza células de carga PW15iA de HBM.

2.1 Exactitud

En cualquier aplicación en la que se utilicen células de carga, la exactitud de medida es extremadamente importante. Las células de carga del mercado admiten distintas cargas nominales (la carga nominal es la carga máxima admisible) y tienen distintas clases de precisión. La tecnología de galgas extensométricas se emplea fundamentalmente para fabricar equipos con clase de precisión C y D. En algunas básculas con clases de precisión más altas se utilizan células de carga de galgas extensométricas con corrección electrónica.

“El peso es un parámetro fundamental en la industria, porque hay muchísimos productos que se venden al peso”, señala Stefan Schmidt

Por este motivo, las operaciones de pesaje están estrictamente reguladas. Según el tipo de mercancía, se utiliza un tipo u otro de báscula. Para los productos de bajo valor —como la arena o la grava— no se necesita una báscula extremadamente precisa y basta con una clase de precisión D. En el otro extremo, los productos farmacéuticos requieren clases de precisión A o B, las más altas que existen. Los bienes de consumo más comunes, como la carne, la fruta o las verduras, requieren una clase de precisión C, lo cual ya supone un requisito de precisión exigente para el sistema de pesaje utilizado. La clase C también es la que se requiere en ingeniería mecánica o en básculas de pesaje de materiales de construcción.

Las estrictas normas y la reglamentación de pesaje plantean de forma constante nuevos retos a los diseñadores de células de carga. En las células de carga con la clase de precisión OIML más alta solo se permiten desviaciones de unas pocas partes por millón (ppm) del rango de medida.

“Es impresionante la precisión que es posible conseguir con un trozo de acero que lleva pegada una galga extensométrica”, comenta Stefan Schmidt. “Pero no se puede hacer si no se tienen los conocimientos necesarios. En los últimos años, HBM ha incrementado de forma sistemática la exactitud que alcanzan muchas de sus células de carga, en un proceso de desarrollo permanente que no tiene fin”.

2.2 Ajuste, calibración y contraste

Para garantizar que una célula de carga funcione como debe sobre el terreno, no suele bastar con ajustarla y calibrarla en fábrica, sino que también es preciso verificarla en el lugar de instalación. La calibración y el contraste son procesos en los que se aplican pesos conocidos a la célula de carga con fines de control. Así, si se coloca un kilo sobre la célula de carga —o sobre la báscula—, el peso indicado debe ser de un kilo y no de 857 gramos (o cualquier otro), con una desviación tanto menor cuanto mayor sea la clase de precisión. Este procedimiento también permite detectar efectos indeseables, como fuerzas parásitas.

Perspectivas

Las células de carga basadas en galgas extensométricas se pueden emplear en una gran variedad de aplicaciones y se caracterizan por una alta precisión. Esa precisión solo puede alcanzarse con el know how adecuado que, a su vez, se sustenta en la experiencia. HBM tiene en su haber más de 65 años de experiencia en desarrollo de células de carga, y trabaja de forma permanente en nuevas soluciones que den respuesta a los requisitos del futuro.

“Hace diez años, nuestros clientes nos solían preguntar qué vendría después de la tecnología de galgas extensométricas, puesto que esa tecnología parecía haber llegado a su límite. Por supuesto, nosotros nos hacíamos la misma pregunta”, continúa Schmidt. “Sin embargo, nuestras investigaciones nos han hecho darnos cuenta de que la tecnología de galgas extensométricas tiene todavía mucho recorrido. De hecho, sigue habiendo incontables posibilidades para mejorar de forma sustancial nuestros sensores y, con ellos, los productos de nuestros clientes”. Productos más precisos, más robustos, más rápidos y más inteligentes. Todavía no se vislumbran en el horizonte los límites para el desarrollo tecnológico de las células de carga.