Principios de la celda de carga

Las celdas de carga miden la fuerza, y el tipo de fuerza (compresión o tensión) determina las opciones de diseño, instalación y aplicación.

• Las celdas de carga de compresión miden la fuerza cuando la carga se aplica hacia ellas generando una fuerza de compresión. Esto es típico en las básculas de camiones y plataformas industriales o de tanques, en las que la celda de carga está montada bajo una estructura o plataforma.
  • Ventajas:
    • Instalación sencilla para cargas estáticas
    • Existen modelos de alta capacidad
  • Riesgos de error:
    • Distribución desigual de la carga
• Las celdas de carga de tensión miden la fuerza cuando la carga se aleja de la celda provocando una fuerza de tracción. El monitoreo de las básculas de las grúas y la medición de la tensión de los cables son aplicaciones habituales para estas celdas, en las que la celda se coloca en línea con la trayectoria de la carga.
  • Ventajas:
    • Ideal para cargas suspendidas
    • Pueden medir fuerzas dinámicas en sistemas de elevación
  • Riesgos de error:
    • Carga lateral o desalineación
• Las celdas de carga combinadas pueden medir tanto la tensión como la compresión. Estos sensores son útiles para probar máquinas o materiales.
• Las celdas de carga en la medición del par son más complicadas porque en lugar de medir una única fuerza axial, los sensores de par (celdas de carga rotativas) miden la deformación por corte debida a la torsión. Cuando se une a un eje en ángulos de 45°, una galga experimenta tensión mientras que la diagonal opuesta sufre compresión. En este caso, el puente extensométrico utiliza tensiones opuestas para producir una señal diferencial proporcional al par.

Las mediciones estáticas se aplican a cargas que permanecen constantes o cambian muy lentamente con el tiempo. Una báscula de camiones y una celda de carga que mide un tanque estacionario son algunos ejemplos. Por el contrario, las mediciones dinámicas implican fuerzas que cambian rápidamente debido al movimiento, la vibración o el impacto. Las aplicaciones que suelen medir estas cargas dinámicas son las pruebas de choque y el monitoreo de robots. Distinguir entre condiciones estáticas y dinámicas influye en la selección de la celda de carga, el acondicionamiento de la señal y los requisitos de precisión. Las aplicaciones estáticas dan prioridad a la estabilidad a largo plazo y a una fluencia mínima, mientras que las aplicaciones dinámicas exigen una respuesta rápida, una alta frecuencia natural y un filtrado eficaz del ruido para captar con precisión las fuerzas transitorias.

Las celdas de carga están diseñadas para medir fuerza, pero según la complejidad de la aplicación, pueden requerirse sensores de un solo eje o multieje. Comprender las diferencias entre ellos y saber cuándo utilizar uno u otro tiene un gran impacto en el éxito de la implementación.

Tanto la exactitud como la precisión son criterios de medición esenciales para el rendimiento de las celdas de carga, pero representan dimensiones diferentes de la calidad de la medición.

• La precisión describe la cantidad de error entre la salida medida y el valor real de la carga aplicada.
• La precisión se refiere a la coherencia de una serie de mediciones de la celda de carga en las mismas condiciones, sin tener en cuenta la exactitud.

Ejemplo:

• Si se aplica una fuerza de 100 libras y la celda de carga lee 99.9 libras, esto se consideraría alta precisión.
• Las mediciones repetidas oscilan entre 100.1 lbs y 99.6 lbs, lo que se consideraría una gran exactitud y precisión.
• Las mediciones repetidas oscilan entre 101.5 lbs y 98.0 lbs, lo que no se consideraría ni exacto ni preciso.

Es importante tener en cuenta todo el rango de temperaturas de funcionamiento de la aplicación de la celda de carga. Los entornos exteriores o industriales requieren a menudo rangos más amplios. Las variaciones de temperatura pueden afectar a la precisión, por lo que pueden ser necesarias técnicas de compensación.

Abordar la resistencia a la corrosión es importante para la durabilidad y confiabilidad de las celdas de carga. Esto es especialmente importante en entornos exteriores o en áreas con condiciones exigentes. El sellado hermético, las carcasas con clasificación IP y los materiales especiales pueden proporcionar a menudo una protección excelente. La selección del material también es importante para mitigar la posible corrosión.

Cuerpo de la celda de carga: El cuerpo de la celda de carga suele ser el elemento más vulnerable, ya que a menudo está en contacto directo con la humedad, los productos químicos, la niebla salina o los entornos ácidos.

• El acero inoxidable de alta aleación proporciona una gran resistencia a la corrosión para las aplicaciones más exigentes.
• El aluminio anodizado duro suele utilizarse para sistemas ligeros que requieren una resistencia moderada a la corrosión.
• Los recubrimientos protectores también pueden mejorar la durabilidad de las superficies del cuerpo de la celda de carga.

Galgas extensométricas: La exposición a la entrada de humedad es un grave factor de riesgo para las galgas extensométricas. La corrosión puede tener un gran impacto en el funcionamiento de estos componentes.

• El sellado hermético de la cavidad de la galga extensométrica ofrece un nivel de protección adicional.
• El encapsulado epoxi también brinda protección contra ingreso.
• Los sellos vidrio-metal también son bastante eficaces para este fin.

Conectores eléctricos: La corrosión en los puntos de conexión debida a la humedad o a la exposición a productos químicos puede afectar seriamente a la confiabilidad y precisión del sensor. Estos riesgos pueden mitigarse utilizando varios enfoques.

• Los cables blindados con cubiertas impermeables evitan que la humedad invada el punto de conexión.
• Se pueden especificar conectores con clasificación IP para interfaces selladas con el fin de minimizar el riesgo de corrosión.

 
Adhesivos de unión: Los adhesivos utilizados para unir las galgas extensométricas al cuerpo pueden degradarse con el tiempo, lo que supone un riesgo importante de corrosión. Los adhesivos de unión de alto rendimiento clasificados por su resistencia química y térmica pueden ser bastante eficaces si su resistencia se dirige a los entornos difíciles propios de la aplicación.

Las interferencias electromagnéticas pueden provocar desviaciones de la señal, ruido o fallas en los circuitos sensibles de las celdas de carga. Es importante considerar la protección contra interferencias electromagnéticas (EMI), interferencias de radiofrecuencia (RFI) y descargas electrostáticas (ESD) al seleccionar las celdas de carga. Las siguientes medidas pueden mejorar la seguridad de la señal, prolongar la vida útil de la celda de carga y confirmar el cumplimiento de normas CEM como IEC 61000, EN55032 y FCC Parte 15.

• Cables blindados: Los cables de par trenzado con blindaje trenzado o de lámina, conectados a tierra en un extremo pueden ser eficaces para evitar interferencias en las líneas de señal.
• Jaula de Faraday: Las carcasas metálicas con sellos conductores actúan como una jaula de Faraday para bloquear las EMI/RFI externas.
• Filtros: Las cuentas de ferrita, los condensadores y los filtros de paso bajo en las líneas de señal y de alimentación suprimen el ruido de alta frecuencia y los picos de tensión.
• Puesta a tierra: La correcta conexión a tierra del cuerpo de la celda de carga, del blindaje del cable y del equipo de procesamiento de señales proporciona una vía de baja impedancia para las corrientes parásitas y las descargas estáticas. 
• Circuitos de protección ESD: Los diodos TVS (supresión de tensiones transitorias) o los supresores de ESD en las líneas IO pueden reducir significativamente el riesgo de daños por descargas electrostáticas.
• Aislamiento eléctrico: El aislamiento óptico o basado en transformadores de los módulos de acondicionamiento de señales evita las interferencias conducidas entre la celda de carga y los sistemas de adquisición de datos.
• Las mejores prácticas en materia de PCB: El uso de trazas de impedancia controlada, planos de tierra y separación de rutas analógicas/digitales ayuda a minimizar la EMI interna y la diafonía.

Para las aplicaciones móviles, automotrices, aeroespaciales y de maquinaria industrial, la capacidad de tolerar impactos mecánicos y vibraciones sin degradar el rendimiento de la celda de carga es imprescindible. En estas aplicaciones, deben implementarse diseños resistentes o características de amortiguación de vibraciones siempre que sea factible. Por ejemplo, las celdas de carga aeroespaciales suelen requerir amortiguadores de vibraciones para mantener una calibración aceptable.