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Celdas de carga

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Introducción a las celdas de carga

Una celda de carga es un transductor que convierte fuerza en una salida eléctrica mensurable. Aunque hay muchas variedades de celdas de carga, las celdas de carga a base de calibrador de tensión son el tipo usado más frecuentemente.

Historia de la celda de carga
Antes de que las celdas de carga con calibrador de tensión se volvieran el método favorito para aplicaciones de medición de peso industrial, las básculas de palancas mecánicas se usaban ampliamente. Las básculas mecánicas pueden pesar todo, desde píldoras hasta tanques de ferrocarril y pueden hacerlo de manera precisa y fiable con una calibración y un mantenimiento adecuados. El método de operación puede implicar el uso de un mecanismo de equilibro de peso o la detección de la fuerza generada por palancas mecánicas. Los primeros sensores de fuerza previos al calibrador de tensión eran diseños hidráulicos y neumáticos. En 1843, el físico inglés Sir Charles Wheatstone ideó un circuito en puente que pudiera medir las resistencias eléctricas. El circuito de puente de Wheatstone es ideal para medir los cambios de resistencia que ocurren en un calibrador de tensión. Aunque el primer calibrador de tensión de resistencia soldada se creó en la década de 1940, no fue hasta que llegó la electrónica moderna que la nueva tecnología se volvió técnica y económicamente factible. Desde ese momento, sin embargo, los calibradores de tensión han proliferado tanto como componentes en las básculas mecánicas como en celdas de carga autónomas. En la actualidad, excepto por ciertos laboratorios en los que se siguen usando básculas mecánicas de precisión, las celdas de carga de calibrador de tensión dominan la industria de la medición de peso. Las celdas de carga neumáticas a veces se usan cuando se desean seguridad e higiene intrínsecas, y las celdas de carga hidráulicas se consideran para ubicaciones remotas, pues no requieren una fuente de alimentación. Las celdas de carga de calibrador de tensión ofrecen precisiones de menos de 0.03% a 0.25% de escala completa y son adecuadas para casi todas las aplicaciones industriales.

Comparación de desempeño de celdas de carga
Tipo	Rango de peso	Precisión (escala completa)	Aplicaciones	Puntos fuertes	Puntos débiles
Celdas de carga mecánicas
Celdas de carga hidráulicas	Hasta 10,000,000 lb	0.25%	tanques, depósitos y tolvas. Áreas peligrosas.	Aceptan impactos fuertes, insensibles a la temperatura.	Costosas, complejas.
Celdas de carga neumáticas	Ancho	Alto	Industria alimenticia, áreas peligrosas	Intrínsecamente seguras. No contiene fluidos.	Respuesta lenta. Requiere aire limpio y seco
Celdas de carga de calibrador de tensión
Celdas de carga de viga flexible	10-5k lb	0.03%	Tanques, básculas de plataforma,	Bajo costo, construcción sencilla	Los calibradores de tensión están expuestos, requieren protección
Celdas de carga de viga de cortante	10-5k lb	0.03%	tanques, básculas de plataforma, cargas descentradas	Alto rechazo de carga lateral, mejor sellado y protección
Celdas de carga de cartucho	hasta 500k lb	0.05%	Básculas para camión, tanque, riel y tolva	Maneja movimientos de carga	No hay protección contra carga horizontal
Celdas de carga de anillo y pastel	5-500k lb		Tanques, depósitos, básculas	Totalmente en acero inoxidable	No se permite movimiento de carga
Celdas de carga de botón y arandela	0-50k lb 0-200 lb típico	1%	Básculas pequeñas	Pequeñas, económicas	La carga debe ser centrada, no se permite movimiento de carga
Otras celdas de carga
Helicoidal	0-40k lb	0.2%	Plataforma, montacargas, carga de rueda, peso de asiento de automóvil	Maneja cargas fuera del eje, sobrecargas, impacto
Fibra óptica		0.1%	Cables de transmisión eléctrica , monturas en perno o tornillo	Inmunes a interferencia por radiofrecuencia/interferencia electromagnética y altas temperaturas, intrínsecamente seguras
Piezo resistivas		0.03%		Extremadamente sensible, alto nivel de señal de salida	Alto costo, salida no lineal

Principios de operación de la celda de carga:

Los diseños de celda de carga se pueden distinguir según el tipo de señal de salida generada (neumática, hidráulica, eléctrica) o según la manera en que detectan el peso (doblez, cizalla, compresión tensión, etc.)

Las celdas de carga hidráulica son dispositivos equilibrados en fuerza, que miden el peso como un cambio en la presión del fluido de relleno interno. En una celda de carga hidráulica de tipo de diafragma, una carga o fuerza que actúa en una cabeza de carga se transfiere a un pistón que a su vez comprime un fluido de relleno confinado dentro de una cámara de diafragma elastomérico. A medida que aumenta la fuerza, la presión del fluido hidráulico aumento. Esta presión se puede indicar en forma local o transmitir para indicación o control remotos. La salida es lineal y relativamente no es afectada por la cantidad de fluido de relleno ni su temperatura. Si las celdas de carga se instalaron y calibraron correctamente, la precisión puede ser de menos de 0.25% de escala completa o mejor, lo que es aceptable para casi todas las aplicaciones de medición de peso en proceso. Debido a que este sensor no tiene componentes eléctricos, es ideal para usar en áreas con riesgos. Las aplicaciones típicas de celda de carga hidráulica incluyen medición de peso en tanque, depósito y tolva. Para lograr la máxima precisión, el peso del tanque se deberá obtener al ubicar una celda de carga en cada punto de apoyo y sumar sus salidas.

Las celdas de carga neumáticas también funcionan con el principio de equilibrio de fuerza. Estos dispositivos usan varias cámaras de amortiguación para proporcionar mayor precisión que un dispositivo hidráulico. En algunos diseños, la primera cámara amortiguadora se usa como una cámara de peso de tara. Las celdas de carga neumáticas con frecuencia se usan para medir pesos relativamente pequeños en industrias en las que la limpieza y la seguridad son de importancia primordial. Las ventajas de este tipo de celda de carga incluyen que son inherentemente a prueba de explosión e insensibles a las variaciones de temperatura. Además, no contienen fluidos que pudieran contaminar el proceso en caso de ruptura del diafragma. Entre las desventajas están una velocidad de respuesta relativamente lenta y la necesidad de aire o nitrógeno limpio, seco y regulado.

Las celdas de carga de calibrador de tensión convierten la carga que actúa en ellas en señales eléctricas. Los calibradores en sí están unidos a un haz o elemento estructural que se deforma cuando se aplica peso. En casi todos los casos, se usan cuatro calibradores de tensión para obtener la máxima sensibilidad y compensación de temperatura. Dos de los calibradores normalmente están en tensión y dos en compresión, y están cableados con ajustes de compensación como se muestra en la Figura 7-2. Cuando se aplica peso, la tensión cambia la resistencia eléctrica de los calibradores en proporción a la carga. Otras celdas de carga están cayendo en el olvido, mientras las celdas de carga de calibrador de tensión siguen aumentando su precisión y reducen sus costos unitarios.

Tipos de celdas de carga

	Celdas de carga de compresión Las celdas de carga de compresión con frecuencia tienen un diseño de botón integral. Son ideales para montarse en situaciones en las que el espacio está restringido. Ofrecen excelente estabilidad a largo plazo.

	Celdas de carga de compresión/tensión Las celdas de carga de compresión/tensión se pueden usar para aplicaciones en las que la carga puede pasar de tensión a compresión o viceversa. Son ideales para entornos con espacio restringido. Los extremos roscados permiten una instalación fácil.

	Celdas de carga de viga en S Las celdas de carga de viga en S reciben ese nombre por su forma en S. Las celdas de carga de viga en S pueden ofrecer una salida si está bajo tensión o compresión. Las aplicaciones incluyen nivel de tanque, tolvas y básculas para camión. Ofrecen un rechazo superior a la carga lateral.

	Las celdas de carga de viga flexible se usan en aplicaciones de varias celdas de carga, medición de peso de tanque y control industrial y de proceso. Vienen con construcción de bajo perfil para integración en áreas restringidas.

	Celdas de carga de plataforma y punto único Las celdas de carga de plataforma y punto único se usan para sistemas de medición de peso comerciales e industriales. Proporcionan lecturas precisas in importar la posición de la carga en la plataforma.

	Celdas de carga de cartucho Las celdas de carga de cartucho se usan para aplicaciones para medición de peso individual y múltiple. Muchas tienen un diseño totalmente en acero inoxidable y están herméticamente selladas para áreas de lavado y húmedas.

	Celdas de carga de bajo perfil celdas de carga de compresión y tensión/ compresión. Los orificios de montaje y las roscas hembra permiten una instalación fácil. Se usan con frecuencia en investigación de medición de peso y en monitoreo de fuerza en línea.