Celulas de carga

Los sensores de los dispositivos de medición de fuerza o los dispositivos de medición de fuerza se denominan célula de carga. Las células de carga pueden tener una gran variedad de formas y tamaños. Por ejemplo, existen las células de carga con forma cilíndrica plana. Hoy en día, el término célula de carga se utiliza también para otros diseños. Hay células de carga que están conectadas permanentemente al indicador de fuerza, y otras células de carga que pueden conectarse a varios dispositivos de medición de fuerza o a indicadores de fuerza. Las células de carga externas tienen la ventaja de que el punto de medición y el punto de visualización pueden estar espacialmente distantes y de que también pueden utilizarse en condiciones de espacio muy limitado. El uso de algunos principios de medición eléctrica permiten evaluar conjuntamente las señales de varias células de carga. Esta posibilidad se utiliza a menudo en la tecnología de pesaje. Dado que la masa puede determinarse a partir de la fuerza del peso si se conoce el valor gravitatorio, las células de carga se utilizan en muchas balanzas. Las células de carga especiales pueden registrar varias direcciones de fuerza a lo largo de un eje o simultáneamente los valores de varios ejes de fuerza.
La directriz VDI 2638 regula las características de las células de carga. Según el comunicado de prensa de la VDI,
al definir las características de las células de carga, la directriz "permite al consumidor asignar claramente las características del producto y hacer una selección de acuerdo con los requisitos".

Principios de funcionamiento de las células de carga
Célula de carga con muelle
Unas células de carga mecánicas sencillas pueden fabricarse con muelles metálicos en espiral. Si se presiona o se tira del muelle espiral a lo largo del eje, el cambio de longitud dentro del rango de medición es proporcional a la fuerza ejercida. Cuando se libera la fuerza, el muelle de las células de carga vuelve a su forma original. Dependiendo del tipo de material, del grosor del material y del tipo y número de espiras, los muelles pueden diseñarse para diferentes rangos de medición. El recorrido del muelle se muestra en una escala como un valor de fuerza. Algunos medidores de fuerza de resorte tiran además de un puntero de arrastre independiente cuando están cargados, que no vuelve a la posición inicial cuando están descargados. Guarda el valor máximo de una serie de mediciones.

Células de carga con líquido hidráulico
En el diseño más común de las células de carga hidráulicas la fuerza actúa sobre un pistón que suele sobresalir un poco y se presiona en el cilindro lleno de fluido hidráulico. Para los puntos de medición en los que la célula de carga está colocada y sujeta por medio de un eje, existen pistones anulares especiales.
Como los fluidos son difíciles de comprimir, transmiten la fuerza aplicada en el sistema. La indicación puede ser, por ejemplo, mecánica mediante manómetros, transmisores de presión o contactos especiales. Las células de carga hidráulicas no requieren energía auxiliar, son robustas y pueden utilizarse en amplios rangos de temperatura con el fluido hidráulico adecuado.

Células de carga con galgas extensométricas (DMS)
Las células de carga con galgas extensométricas también utilizan la deformación elástica de los hilos metálicos. Sin embargo, lo que se registra aquí no es el cambio en la longitud, sino el cambio en la resistencia eléctrica causado por ésta. Si el cable se estira, la resistencia aumenta y disminuye si el cable se comprime. El alambre fino aplicado a una lámina portadora, normalmente de forma serpenteante, se denomina galga extensométrica. El cuerpo base al que se aplican las galgas extensométricas se denomina cuerpo muelle porque también se deforma elásticamente.
Al utilizar varias resistencias conectadas en cruz, se pueden evitar los errores de medición debidos a las fuerzas transversales, los momentos de flexión y los cambios de temperatura. Esto se consigue mediante el circuito de puente de Wheatstone, en el que cuatro galgas extensométricas se fijan al cuerpo del muelle de la célula de carga o célula de carga de forma que dos se comprimen y dos se estiran cuando se aplica una fuerza. Si la temperatura cambia, la resistencia en todas las galgas extensométricas cambia, pero como están orientadas en direcciones opuestas, no hay tensión de salida. Con este circuito se pueden fabricar sensores de fuerza muy precisos a un coste relativamente bajo. Además, se pueden cubrir muchos rangos de medición diferentes mediante la forma y el material de la cabeza del muelle.

Células de carga con compensación electromagnética
En las células de carga con compensación electromagnética (también conocidos como EMFC de las siglas en inglés Electromagnetic Force Compensation), se genera un campo magnético alrededor de una bobina que recibe energía. Un sensor de posición detecta cuando la bobina desciende por la fuerza. El sensor envía la señal a un controlador que aumenta la corriente de la bobina hasta alcanzar de nuevo la posición original. Por lo tanto, la posición es la misma en el estado cargado y en el descargado porque las células de carga compensas electromagnéticamente el efecto de la fuerza. Las células de carga EMFC también pueden medir con precisión fuerzas muy pequeñas. La corriente necesaria es proporcional a la carga.

Células de carga con elementos piezoeléctricos
Cuando se aplica una carga a la superficie de los cristales piezoeléctricos, se genera una carga cuya magnitud es proporcional a la fuerza aplicada. Este efecto en ciertos cristales con ejes polares fue descubierto por Pierre y Jaques Curie en 1880. Debido a que esta carga sólo se retiene durante un corto período de tiempo, el principio es principalmente adecuado para los cambios rápidos de carga, los picos de carga de corta duración o para las mediciones continuas con registro continuo. Incluso las cargas dinámicas con frecuencias de hasta 100 Hz pueden medirse con unas células de carga con elementos piezoeléctricos. Con un posicionamiento adecuado de varios elementos, también son posibles las mediciones multieje.
Los sensores de fuerza, que suelen ser de cristales de cuarzo, van seguidos de un amplificador de carga. Detecta los cambios de carga, los convierte y los transmite a las pantallas, las interfaces o los medios de almacenamiento. Las células de carga con elementos piezoeléctricoss miden las cargas dinámicas con gran rapidez y sensibilidad.

Criterios de selección de las células de carga
Las siguientes preguntas son una ayuda para seleccionar la célula de carga más adecuada:
- ¿Qué tipo de fuerza debe detectar la célula de carga?
- ¿Necesita un adaptador especial?
- ¿Cuáles es la fuerza máxima a la que estará expuesta?
- ¿Qué precisión debe tener?
- ¿Es necesario registrar los valores de medición?
- ¿Se usaré la célula de carga en condiciones de trabajo adversas, es decir, necesita un tipo de protección especial?

Tipos de fuerza de las células de carga
El diseño de las células de carga difiere en función de la tarea de medición. Es importante saber si se van a medir fuerzas estáticas o dinámicas. A continuación, se distingue entre
- células de carga que sólo miden una fuerza de tracción o de compresión,
- células de carga que miden de forma bidireccional, es decir, tracción y compresión,
- células de carga que miden el par de torsión.

Adaptador para las células de carga
Algunas células de carga ofrecen la posibilidad de conectar adaptadores especiales. Las células de carga con forma de S tienen orificios roscados métricos en la parte superior e inferior, además de la opción de conexión para el indicador de fuerza. A estos se les puede conectar lo siguiente
- diferentes tipos de cabezal para la medición de compresión en superficies circulares y cónicas
- o ganchos, ojales o elementos de sujeción para fijar los ensayos de tracción a las células de carga.

Fuerza máxima de las células de carga
Se especifica una fuerza máxima para cada célula de carga. La precisión de medición especificada puede alcanzarse hasta esta carga. Algunas células de carga se rompen si se sobrepasa esta carga en un pequeño porcentaje.

Otras células de carga indican un factor que define la sobrecarga que pueden soportar sin sufrir daños. Se puede distinguir entre carga nominal, carga límite y carga de rotura. Algunas células de carga o medidores de fuerza disponen de dispositivos de protección contra sobrecargas independientes para que los sensores de fuerza no se rompan. A la hora de seleccionar una célula de carga es importante tener en cuenta no sólo el rango de medición previsto, sino también las posibles sobrecargas involuntarias que se puedan dar.

Precisión de las células de carga
Dependiendo del diseño y del rango de medición, las células de carga pueden alcanzar diferentes precisiones. Hay que tener en cuenta que las células de carga de gran precisión sólo la alcanzan si se mantienen las condiciones ambientales especificadas. La precisión de la medición y la resolución de la pantalla no son idénticas. Hay que tener en cuenta este aspecto tanto en la selección de las células de carga como en el análisis de los resultados de las mediciones.

Opciones de almacenamiento para las células de carga
Algunos tipos de medición sólo requieren que se pueda visualizar de forma directa el valor, como por ejemplo, para comprobar el peso de la fruta. Sin embargo, si los valores medidos deben ser almacenados o utilizados para cálculos, será necesario utilizar células de carga que puedan transmitir los datos. Una simple célula de carga de muelle o una hidráulica pueden almacenar el valor máximo de una serie de mediciones mediante un puntero o aguja de arrastre. Los sensores de fuerza electrónicos ofrecen muchas más posibilidades. Con la ayuda de los valores eléctricos que transmiten a la unidad de visualización y evaluación, los valores medidos pueden ser almacenados, convertidos y transmitidos. Las señales de las células de carga eléctricas pueden evaluarse directamente y transmitirse a los transmisores de alarma o a los contactos de conmutación o visualizarse y almacenarse en un PC. Cuando se miden fuerzas dinámicas, hay que tener en cuenta el intervalo de tiempo en el que las células de carga pueden detectar los cambios de fuerza.

Requisitos de las células de carga al entorno
Según el principio de medición, las células de carga sólo funcionan de forma fiable en determinadas condiciones de temperatura, humedad y carga eléctrica o magnética. Una célula de carga que evalúa valores eléctricos es mucho más sensible que una célula de carga mecánica. Las pantallas digitales para las células de carga sólo pueden utilizarse si los valores de temperatura y humedad son también adecuados. Por lo tanto, para algunas aplicaciones, los sistemas mecánicos e hidráulicos son la mejor opción.