Tecnologías de celdas de carga
Explora los principios de funcionamiento y los componentes básicos que son clave para seleccionar la celda de carga adecuada para aplicaciones específicas.
Las celdas de carga son componentes críticos en los sistemas que miden fuerza y epeso. Su rendimiento depende de la tecnología de detección que empleen, ya que cada una utiliza un principio físico distinto para convertir la fuerza mecánica en una señal eléctrica (o presión hidráulica en algunos casos). Estas diferencias afectan la precisión, la durabilidad, el costo y la adecuación al entorno.
Celdas de carga con galga extensométrica
Principio de funcionamiento
El cuerpo de la celda de carga se estira o se comprime cuando se aplica una fuerza. Las galgas extensométricas adheridas directamente al cuerpo responden cambiando su resistencia eléctrica. Un circuito en puente detecta estos pequeños cambios de resistencia y produce una señal de milivoltios. La electrónica de acondicionamiento de señales amplifica o digitaliza la señal para producir una salida calibrada proporcional a la fuerza aplicada. Muchas industrias, desde la fabricación hasta el ensayo de materiales, dependen de las celdas de carga con galga extensométrica porque ofrecen una gran precisión a un costo razonable.
Componentes principales
- Cuerpo de la celda de carga: Elemento mecanizado de precisión (viga o diafragma) diseñado para deformarse elásticamente bajo carga.
- Galgas extensométricas: Sensores adheridos al cuerpo de la celda de carga que cambian de resistencia al estirarse o comprimirse.
- Circuito puente: Una disposición de puente de Wheatstone que convierte los cambios de resistencia en una señal eléctrica medible.
- Electrónica de acondicionamiento de señal: Amplifica o digitaliza la señal de milivoltios en una salida calibrada.
Celdas de carga capacitivas
Principio de funcionamiento
El elemento sensor se desvía cuando se aplica una fuerza, alterando la separación entre dos placas del condensador. El material dieléctrico aísla las placas y determina el valor de la capacitancia. El circuito de medición de la capacitancia detecta el cambio y produce una señal eléctrica. La electrónica de procesamiento de señales amplifica o digitaliza la salida para su visualización o control. Las celdas de carga capacitivas ofrecen una alta sensibilidad y una respuesta rápida, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de precisión como las balanzas de laboratorio y los dispositivos médicos.
Componentes principales
- Elemento sensor: Un diafragma o viga que se desvía bajo carga.
- Placas de condensador: Dos superficies conductoras cuya separación cambia con la fuerza aplicada.
- Material dieléctrico: Capa aislante entre las placas que afecta a la capacitancia.
- Circuito de medición de capacitancia: Electrónica que convierte los cambios de capacitancia y los transforma en una señal eléctrica.
- Electrónica de procesamiento de señales: Circuitos que amplifican y calibran la salida para sistemas de visualización o control.
Celda de carga piezoresistiva
Principio de funcionamiento
El elemento sensor transfiere la fuerza a las galgas extensométricas semiconductoras, que responden cambiando su resistencia. El circuito del puente detecta estos cambios y genera una señal eléctrica. La electrónica de acondicionamiento de la señal amplifica y calibra la señal para su salida. Las celdas de carga piezorresistivas responden con extrema rapidez, lo que las hace adecuadas para mediciones de fuerza dinámica en pruebas de choque de automóviles, robótica y aplicaciones aeroespaciales.
Componentes principales
- Elemento sensor: Una estructura que transfiere la carga a las galgas extensométricas semiconductoras.
- Galgas extensométricas semiconductoras: Sensores muy sensibles que cambian de resistencia bajo tensión.
- Circuito puente: Normalmente, un puente de Wheatstone que convierte los cambios de resistencia en una señal eléctrica medible.
- Electrónica de acondicionamiento de señal: Amplificadores de instrumentación, filtros y circuitos de conversión analógico-digital que producen una señal de salida limpia.
Celdas de carga hidráulicas
Principio de funcionamiento
El cuerpo de la celda de carga transfiere la fuerza a un diafragma o pistón, que comprime el fluido dentro de una cámara sellada. El transductor de presión o manómetro mide la presión resultante y la convierte en un valor legible proporcional a la fuerza aplicada. Las celdas de carga hidráulicas no requieren alimentación eléctrica y funcionan bien en entornos difíciles, por lo que son adecuadas para el pesaje industrial de cargas pesadas y en lugares remotos.
Componentes principales
- Cuerpo de la celda de carga: Una carcasa que contiene la cámara de fluido y el diafragma o pistón.
- Diafragma o pistón: Un elemento que transfiere la carga al fluido.
- Cámara de fluidos: Lleno de aceite hidráulico u otro fluido incompresible.
- Manómetro o transductor de presión: Mide la presión del fluido y la convierte en un valor legible proporcional a la fuerza aplicada.
Comparación de tecnologías
La tabla siguiente compara las características clave de las tecnologías de celdas de carga descritas anteriormente. Cada uno ofrece ventajas y contrapartidas distintas. Las celdas de carga de galgas extensométricas logran un equilibrio entre precisión, costo y versatilidad, lo que las convierte en la opción más común para aplicaciones industriales generales. Las celdas de carga capacitivas destacan por su precisión y velocidad, pero requieren entornos controlados para mantener su rendimiento. Las celdas de carga piezorresistivas son adecuadas para las mediciones de fuerza dinámica en las que es fundamental una respuesta rápida, aunque tienen un costo más elevado y son sensibles a la temperatura. Las celdas de carga hidráulicas, aunque son menos precisas y lentas, ofrecen una durabilidad y una independencia de la energía eléctrica extraordinarias, lo que las hace adecuadas para entornos difíciles o remotos. La selección de la tecnología adecuada depende de los requisitos específicos de precisión, condiciones ambientales, tiempo de respuesta y presupuesto.
| Característica | Galga extensométrica | Capacitiva | Piezoresistiva | Hidráulica |
|---|---|---|---|---|
| Precisión | Alta (±0.03–0.25%) |
Alta (±0.05–0.2%) |
Moderada-alta (±0.1–0.5%) |
Moderada (±0.25–1%) |
| Tiempo de respuesta | Rápido | Muy rápido | Extremadamente rápido | Lento |
| Sensibilidad medioambiental | Sensible a la temperatura y a la EMI | Sensible a la humedad y la contaminación | Sensible a la temperatura | Mínima (ideal para entornos exigentes) |
| Durabilidad | Buena (con protección) | Moderada (sensible a la electrónica) | Moderada (semiconductores frágiles) | Excelente (resistente, sin componentes electrónicos) |
| Requisitos de potencia | Sí | Sí | Sí | No |
| Costo | Bajo - moderado | Moderado - alto | Alta | Moderada |
| Aplicaciones típicas | Pesaje industrial general | Medición de precisión de baja fuerza | Detección de fuerza dinámica | De uso rudo, para zonas peligrosas o remotas |
