En este artículo discutiremos cómo puede medir el peso con sensores de celda de carga, con suficiente detalle para que pueda:

  • Vea cómo funcionan los sensores de celda de carga
  • Aprenda cómo se realizan las mediciones de peso en la ciencia y la industria.
  • Comprenda cómo puede incorporarlos en sus pruebas

¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!

Qué es una Celda de Carga?

Una celda de carga es esencialmente un transductor de fuerza o sensor de fuerza. Se utiliza principalmente para medir peso. Y aunque pueden usarse para medir otras fuerzas como el par, la compresión, la presión, etc., nos centraremos en las aplicaciones de medición de peso en este artículo.

An example load cell sensorUn ejemplo de sensor de celda de carga
Fuente de la imagen: Daraceleste / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

La unidad de medida de peso estándar mundial es el kilogramo (kg). Incluso en los EE. UU., Donde las medidas imperiales de peso, distancia y volumen todavía son de uso público, esas unidades están referenciadas al sistema métrico SI.

Entonces, una libra (de peso) en los EE. UU. No se define por otra medida imperial, sino oficialmente como 0.45359237 kilogramos. Los científicos del mundo definieron cómo calculamos la masa en kilogramos en 2019 para hacer referencia a la constante de Planck y eliminarla es una referencia a una muestra física.

Si elimina la gravedad, un objeto no pesa literalmente nada, pero su masa permanece sin cambios. Cuando pesas algo, realmente estás midiendo la masa de ese objeto en relación con este planeta. En efecto, una celda de carga mide la masa. Pero solo es relevante en términos de lo que significa aquí en la tierra.

Existen varias tecnologías básicas utilizadas dentro de las celdas de carga, como las celdas de carga neumáticas (a menudo utilizadas en aplicaciones de seguridad intrínseca). Las celdas de carga hidráulicas no requieren energía y, por lo tanto, se usan con frecuencia en ubicaciones remotas y de difícil acceso. También hay celdas de carga piezoeléctricas que proporcionan una salida de alto nivel (pero no lineal).

Pero nos centraremos en las celdas de carga basadas en galgas extensométricas, que son el tipo más frecuente que se usa en el mundo hoy en día. Son económicos, muy confiables y están disponibles para manejar una amplia gama de entradas de fuerza. Son el estándar de facto de la industria de pesaje y proporcionan una precisión a escala completa de 0.25% y mejor.

The digital bathroom scale is a strain gage-based load cell deviceLa báscula de baño digital es un dispositivo de celda de carga basado en galgas extensométricas.

Mientras que las básculas mecánicas clásicas usan una serie de palancas para distribuir el peso aplicado y accionar un resorte conectado a un dial mecánico, la mayoría de los modelos digitales de hoy en día usan múltiples celdas de carga basadas en galgas extensométricas para calcular su peso.

Cuando presiona el pie una vez sobre la placa de medición, el microcontrolador "se despierta" y realiza una calibración de compensación cero de los medidores de deformación. La pantalla digital indica 0.0 kg (o lb), y está listo para que se suba y se pese.

En mejores básculas de baño digitales, se coloca una celda de carga basada en galgas extensométricas en cada una de las cuatro esquinas de la báscula. De hecho, a menudo están integrados en los "pies" de la escala. Dos de las celdas de carga se colocan en modo de tensión y las otras dos se colocan en modo de compresión.

Cuando sube a la báscula, el microcontrolador toma sus resultados y los convierte en un valor de peso agregado en la unidad de medida seleccionada, y muestra ese número en un medidor. Algunos modelos incluso emplean un termopar para medir la temperatura ambiente y factorizarlo en la ecuación, ya que los medidores de tensión son sensores basados ​​en resistencia y se ven afectados por la temperatura.

OK, eso fue divertido, pero ahora veamos las celdas de carga utilizadas para aplicaciones científicas de medición DAQ.

¿Cómo funciona una celda de carga basada en un calibrador de tensión?

Una strain gage (también conocido como "medidor de deformación") mide la deformación mediante un cambio en la resistencia. Un patrón de lámina de metal está montado sobre un sustrato flexible, que también sirve como aislante. Se ejecuta una corriente a través del patrón de lámina. Cuando el objeto bajo prueba está estresado (es decir, comprimido o sometido a tensión) hay un cambio en la resistencia que es proporcional a la cantidad de desviación.

Full bridge strain gage sensor schematicSensor de galgas extensiométricas de puente completo

Cuando un conductor se estira, su resistencia aumenta. Cuando está comprimido, su resistencia disminuye. Este cambio en la resistencia se puede medir utilizando un puente Wheatstone, que son cuatro sensores de galgas extensométricas dispuestos en un patrón.

Strain gage operation (bending exaggerated for clarity)Operación de galga extensiométrica (flexión exagerada para mayor claridad)
Imagen cortesía de WikiCommon.

Wheatstone bridge diagram by DewesoftDiagrama del puente de Wheatstone

Al medir con los cuatro sensores, obtiene una configuración de puente completo. En el diagrama de puente completo anterior, el voltaje de salida del sensor se mide en C y B, mientras que el voltaje de excitación se suministra en A y D.

Entonces, cuando montamos una galga extensométrica en una carcasa mecánica, y luego la sometemos a tensión o fuerza, como el peso, la galga medirá la compresión o tensión relativa causada por esa fuerza. La combinación de dicho alojamiento con el sensor de galgas extensométricas montado en él es una celda de carga.

Ahora veamos las diferentes formas y tamaños de dichas celdas de carga, y cómo se usan.

Aplicaciones de Medición de Celdas de Carga

Existe prácticamente un número ilimitado de aplicaciones posibles para celdas de carga, grandes y pequeñas. Aquí hay algunos que vienen a la mente:

  • Pruebas de materiales: medir el peso de las piezas a medida que se fabrican para lograr consistencia
  • Aeroespacial: prueba del empuje de los motores a reacción, medición de la carga sobre ruedas y chasis
  • Marina: control de las tensiones en las líneas de amarre a medida que se estiran bajo la carga del barco que se mueve con el agua
  • Transporte: mediciones de torque en motores eléctricos, de gasolina y diesel, monitoreo de carga de eje, cargas de ruedas de trenes y camiones, medición de pesos de carga en estaciones de pesaje de carreteras
  • Industrial: mediciones de fuerza en cajas de engranajes y bombas, mediciones de tensión en aplicaciones submarinas de tendido de tuberías, mediciones de tensión y fuerza en aplicaciones de fábrica de papel y acero, pesaje de tolvas y recipientes
  • Médico / atención médica: camas de hospital que pesan al paciente, balanzas de precisión para incubadoras de bebés y bebés, mediciones de carga en fisioterapia y equipos de ejercicio.
  • Construcción: Fuerzas de cable en ascensores, fuerzas en andamios según estándares internacionales. Para una nota de aplicación interesante, consulte https://dewesoft.com/es/case-studies/aprobacion-prueba-de-seguridad-andamio
  • Entretenimiento: las celdas de carga tipo S se instalan en el medio de los cables utilizados para izar acróbatas y actores, asegurando que las fuerzas no excedan los niveles prescritos
  • Petroquímica: medición de las fuerzas en las herramientas de perforación de petróleo y gas
  • Agricultura y ganadería: medición del peso del ganado que pasa a través de toboganes, medición de fuerzas en cables y equipos de alojamiento, tolva, jarra y pesaje de silos
  • Hogar / Consumidor: básculas de baño digitales

Cuando consideramos la gran variedad representada por solo una docena de aplicaciones, está claro que las mediciones de fuerza y peso son similares a las mediciones de temperatura, ya que son fundamentales para decenas de miles de aplicaciones en prácticamente todas las industrias.

Consideraciones al usar Celdas de Carga

Clasificaciones Máximas de Carga

Es importante elegir una celda de carga que no solo coincida con el tipo o la dirección de carga que desea medir, sino que también esté clasificada para manejar la carga máxima anticipada.

Por ejemplo, las celdas de carga se clasifican en términos de su kg máximo (o lb). Para medir hasta 1000 kg, obviamente querrá una celda de carga con una clasificación de al menos 1.5 a 2 veces ese peso.

Calibración de Dos Puntos y Puesta a Cero

La hoja de calibración con la que se envía cada celda de carga le mostrará el voltaje de excitación preferido y la sensibilidad de los medidores de tensión incorporados. Los necesitará para configurar el software para medir con precisión la salida en la unidad de medida deseada, generalmente kg o lbs.

En el software Dewesoft X es bastante fácil realizar una calibración a CERO de cualquier sensor, por ejemplo, eliminar todas las cargas y luego presionar CERO en el software (al igual que la báscula de baño automáticamente). También puede realizar una calibración de 2 puntos utilizando una carga de referencia conocida, asegurando que su celda de carga esté produciendo valores lineales correctos entre cero y la carga de referencia que aplica.

Strain gage load cell channel setup inside Dewesoft X DAQ softwareConfiguración y calibración de una celda de carga dentro del software Dewesoft X DAQ

Consideraciones Ambientales

Si la celda de carga se usará en un ambiente que contiene gases corrosivos, agua, vapor, etc., se debe usar una celda de carga que sea resistente a la corrosión. Las celdas de carga de acero inoxidable que están selladas (busque altas clasificaciones de IP como IP65 y superiores), están hechas específicamente para estos entornos hostiles. Y, por supuesto, cualquier sensor o sistema que se utilizará en una atmósfera explosiva debe estar certificado como intrínsecamente seguro y / o a prueba de explosiones, según los requisitos reglamentarios.

Tipos de Celdas de Carga

Hay celdas de carga hechas en varias formas y tamaños, para una variedad de aplicaciones. Aquí están los principales disponibles hoy:

  • Celdas de carga de barra / barra de flexión
  • Celdas de carga del recipiente
  • Celdas de carga S-Beam
  • Celdas de carga de agujero pasante / rosquilla
  • Celdas de carga de Pancake
Tipo Barra / Barra de Flexión Recipiente S-Beam Agujero Pasante/ Rosquilla Pancake
Imágen Bar / Bending Beam type load cell Canister type Load cell S-Beam type load cell Through- Hole / Donut type load cell Pancake type load cell
Aplicaciones

Aplicación(es)
Utilizado para medir peso. Excelente para realizar mediciones descentradas

Se utiliza para medir cargas de compresión. Se puede usar tanto para compresión como para tensión. Se puede conectar en medio de un cable de acero a Tipo más resistente para alta compresión y tensión. Los agujeros permiten que la estructura pase a través de la celda de carga. Tipos de carga más alta, alcanzando 100 kg (220,000 lbs) o más de compresión y tensión.
Puede Medir Tensión y Compresión Compresión Tensión y Compresión Compresión solamente O tensión y compresión Tensión y compresión

Celdas de carga de barra / barra de flexión

También hay una distinción entre celdas de carga de punto único y modelos de compresión de servicio pesado que distribuyen la carga a través de cuatro o más sensores de galgas extensométricas para una mayor precisión y / o capacidad. Lo anterior representa solo algunos de los principales tipos de celdas de carga. Hay muchos otros, así como varios tipos especiales diseñados para aplicaciones y entornos especiales. Hay celdas de carga de perfil bajo, miniatura y ultraminiatura que se pueden usar en lugares muy pequeños. En el otro extremo del espectro, hay celdas de carga utilizadas para medir cientos de toneladas, que son bastante grandes por razones obvias.

Bar or bending beam type load cellCelda de carga típica de viga de flexión
Fuente de la imagen: Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Las celdas de carga de barra o barra de flexión (también conocida como barra binocular) se usan comúnmente para aplicaciones de pesaje industrial. Un extremo de la barra se fija a una estructura, mientras que se aplica una fuerza al extremo libre del sensor (consulte F en el gráfico anterior).

Esta fuerza hace que los cuatro medidores de deformación que se construyen en la parte superior e inferior y cada extremo de la celda de carga se alarguen o compriman, dependiendo de la cantidad de aplicación o eliminación de la fuerza que estresa la estructura de la celda de carga. Estos pequeños cambios en el potencial de los medidores de tensión se convierten fácilmente en peso dentro de nuestro software de adquisición de datos Dewesoft X.

Bending beam load cell applicationAplicación de celda de carga de viga de flexión

Células de carga estilo recipiente

También conocida como "celda de carga de cartucho", una celda de carga de compresión es el tipo más fundamental de celda de carga. Se utiliza principalmente en básculas industriales para medir el peso de una carga que se colocan sobre ellas. Recibe su nombre de su forma de bote.

Canister type load cell sensoerCelda de Carga Típica de Tipo Recipiente
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Celdas de Carga S-Beam

Las celdas de carga S-Beam también son adecuadas para aplicaciones de empujar / tirar. Obtienen su nombre de su forma distintiva. Por lo general, están conectados en el centro de un cable de acero. Imagine que se usa un cable para izar una carga pesada.

Typical s-beam type load cell sensorCelda Típica S-beam
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Celdas de Carga de Agujero Pasante / Rosquilla

Algunos de estos tipos están hechos solo para compresión, mientras que otros están disponibles tanto para compresión como para tensión. El orificio central permite que parte de la estructura pase a través de la celda de carga si es necesario. Algunos modelos tienen orificios pasantes adicionales dispuestos alrededor del orificio central para conexiones mecánicas adicionales.

Trough-hole or donat type load cell sensor
Celda de Carga Típica de Agujero Pasante / Rosquilla
Imágen cortesía de Forsentek

Celdas de Carga Pancake

Las celdas de carga de Pancake están diseñadas para aplicaciones donde se producirán tanto tensión como compresión (jalar y empujar).

Pancake type load cell sensorCelda de Carga Típica Tipo Pancake
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Sistemas de Adquisición de Datos Dewesoft compatibles con Celdas de Carga

Sistemas SIRIUS DAQ

Los sistemas SIRIUS DAQ ofrecen la tecnología DualCoreADC® que aumenta los convertidores ADC delta-sigma duales de 24 bits con un filtro antisolapamiento en cada canal, logrando un sorprendente rango dinámico de 160 dB en los dominios de tiempo y frecuencia, con hasta 200 kS / s / ch frecuencia de muestreo por canal.

Los módulos SIRIUS pueden contener hasta 8 o 16 canales de entrada analógica. Todos los sistemas SIRIUS DAQ incluyen el galardonado software de adquisición de datos Dewesoft X para la configuración completa del sistema, operación, visualización, almacenamiento, análisis y generación de informes.

SIRIUS modular DAQ systems

La lista de amplificadores SIRIUS que son compatibles con sensores de celda de carga:

  • SIRIUS STG (8 canales), 200 kS/s, admite todos los tipos de deformación, rango de entrada alto
  • SIRIUS STGM (8 canales) 200 kS/s, baja potencia, balance de sensor y amplificador
  • SIRIUS-LV (8 canales), 200 kS/s, admite conexión de puente completo
  • SIRIUS-HD STGS (16 canales) 200 kS/s, baja potencia, balance de sensor y amplificador
  • SIRIUS-HS STG (8 canales) 1 MS/s, admite todos los tipos de deformación, rango de entrada alto
  • SIRIUS-HS-LV (8 canales), 1 MS/s, admite conexión de puente completo

Para obtener más información, visite la página del sistema SIRIUS DAQ.

Sistemas KRYPTON DAQ

La familia KRYPTON DAQ ofrece módulos de galgas extensométricas resistentes con 1, 3 o 6 canales por módulo. Hay muchos otros módulos KRYPTON y KRYPTON ONE disponibles para otros tipos de sensores y señales. Los módulos KRYPTON DAQ ofrecen un grado de protección IP67 y están hechos para los entornos operativos más difíciles: golpes, vibraciones y temperaturas extremas. Todos los sistemas KRYPTON incluyen el galardonado software de adquisición de datos Dewesoft X para la configuración completa del sistema, operación, visualización, almacenamiento, análisis y generación de informes.

KRYPTON rugged DAQ modules

La lista de módulos KRYPTON DAQ que son compatibles con sensores de celda de carga:

  • KRYPTON-3xSTG y KRYPTON-6xSTG: módulo DAQ de 3 o 6 canales que admite todos los tipos de galgas extensométricas y un alto rango de entrada.
  • KRYPTONi-1xSTG: módulo DAQ aislado de 1 canal que admite todos los tipos de deformación y un alto rango de entrada.

Para obtener más información, visite la página del sistema KRYPTON DAQ.

IOLITE DAQ y Sistemas de Control

El sistema de control y DAQ IOLITE combina una potente adquisición de datos con control en tiempo real a través de interfaces duales EtherCAT. Tenga en cuenta que el IOLITE-6xSTG también acepta módulos DSI que lo adaptan para manejar una amplia variedad de otros sensores. Disponible en un modelo de rack de 19 "y también en un modelo de sobremesa. Cada sistema IOLITE incluye el galardonado software DEWESoft X para la configuración completa del sistema, operación, visualización, almacenamiento, análisis y generación de informes.
 

IOLITE DAQ and Control system

La lista de módulos IOLITE DAQ que son compatibles con sensores de celda de carga:

  • IOLITE-6xSTG (6 canales) Admite todos los tipos de deformación, alto rango de entrada

Para obtener más información, visite la página del sistema DAQ y de Control IOLITE.

Sistema DEWE-43A DAQ

El DEWE-43A es un módulo DAQ portátil de 8 canales que cuenta con ocho entradas de puente completo / bajo voltaje en conectores DB-9, más 8 entradas de contador / codificador y dos interfaces de bus CAN de alta velocidad.
 

DEWE-43A DAQ system

Se conecta a cualquier computadora con Windows a través de un conector USB de bloqueo. Las entradas analógicas se pueden usar de forma nativa para conexiones de puente completo, o puede usar adaptadores DSI para conexiones de cuarto de puente y medio puente.

Otros adaptadores DSI permiten que cada entrada maneje otras señales, como IEPE, carga, LVDT, 200V, amperios y miliamperios, etc. Cada sistema DEWE-43A incluye el galardonado software DEWESoft X para la configuración completa del sistema, operación, visualización, almacenamiento , análisis y generación de informes.

  • Las entradas analógicas del DEWE-43A (8 canales) 200 kS / s. Admite puente completo ( otros a través de adaptadores DSI)

Para obtener más información, visite la página del sistema DEWE-43A DAQ.