Una célula de carga es un transductor que convierte la fuerza mecánica en una señal eléctrica. Esta señal puede medirse y normalizarse, lo que permite una supervisión y un control precisos en una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales. Las células de carga son componentes esenciales en sistemas que requieren una medición precisa de la fuerza, como los sistemas de pesaje, los ensayos estructurales, el análisis de fatiga de materiales y la supervisión de la fuerza en robótica y automatización.
Principio de funcionamiento de las células de carga
El principio de funcionamiento más utilizado en las células de carga se basa en las galgas extensométricas. Una célula de carga de galgas extensométricas consiste en un elemento elástico (a menudo de acero o aluminio) al que se adhieren galgas extensométricas. Cuando se aplica una fuerza, se produce una deformación en el elemento elástico. Esta deformación provoca un cambio en la resistencia eléctrica de las galgas extensométricas, que es proporcional a la fuerza aplicada.
Este cambio de resistencia se mide mediante un circuito de puente de Wheatstone. La salida del puente es una pequeña señal de tensión (normalmente en milivoltios), que debe ser amplificada por un amplificador de célula de carga para ser útil en sistemas digitales. La ecuación básica que describe esta relación es:
Donde:
es la tensión de salida,- es la tensión de excitación,
- es el cambio de resistencia,
- es la resistencia nominal.
es la tensión de salida,
es la tensión de excitación,
es el cambio de resistencia,
es la resistencia nominal.Tipos de células de carga
Las células de carga de compresión están diseñadas para medir fuerzas aplicadas en compresión. Se suelen utilizar en aplicaciones como la supervisión de prensas, mediciones de peso bajo plataformas y sistemas de automatización industrial.
Las células de carga de tensión miden fuerzas que intentan separar la célula. Son habituales en células de carga de grúas, básculas colgantes y ensayos de tensión estructural.
Las células de carga de botón son dispositivos compactos y de bajo perfil que se utilizan cuando existen limitaciones de espacio. Suelen tener una superficie en forma de cúpula para aplicar la fuerza de compresión y se utilizan con frecuencia en aplicaciones de ensayo y medición.
Las células de carga digitales integran la electrónica de acondicionamiento de señales dentro de la propia célula de carga. Dan salida a señales digitales directamente, eliminando la necesidad de amplificadores externos o convertidores analógico-digital.
Las células de carga hidráulicas funcionan aplicando fuerza a un pistón que comprime un fluido confinado. El cambio de presión en el fluido es proporcional a la fuerza aplicada y se lee mediante un manómetro. Son robustas, ideales para entornos peligrosos y no necesitan alimentación para generar la señal.
Las células de carga neumáticas funcionan de forma similar a las versiones hidráulicas, pero utilizan presión de aire en lugar de fluido. Son adecuadas para entornos limpios y propensos a explosiones, y ofrecen menor precisión pero gran seguridad y fiabilidad.
Las células de carga inductivas y de reluctancia utilizan cambios en la inductancia o la reluctancia magnética para medir el desplazamiento causado por una carga aplicada. Los tipos inductivos detectan cambios en la inductancia de la bobina, mientras que los tipos de reluctancia miden variaciones en la reluctancia magnética debidas al movimiento del núcleo. Suelen utilizarse cuando la medición sin contacto es beneficiosa o se requiere inmunidad al ruido eléctrico.
Características y especificaciones
Los parámetros clave que definen el rendimiento de una célula de carga incluyen:
- Capacidad nominal: La fuerza máxima que la célula puede medir con precisión.
- Sensibilidad: La relación entre la señal de salida y la carga aplicada, normalmente en mV/V.
- Linealidad e histéresis: Medidas de la precisión con la que la salida sigue a la carga de entrada.
- Fluencia y balance de cero: Indicadores de estabilidad en el tiempo y bajo carga sostenida.
Las células de carga también varían en material (acero inoxidable, aluminio, etc.), protección medioambiental (grado IP) y configuración de montaje, dependiendo de la aplicación.
Aplicaciones de las células de carga
Las células de carga son omnipresentes en los sistemas de ingeniería modernos. En las básculas industriales, garantizan un pesaje preciso en líneas de producción y logística. Las células de carga de las grúas se integran en los sistemas de elevación para controlar las fuerzas de elevación, mejorando la seguridad y la eficacia. En las máquinas de ensayo de materiales, proporcionan información en tiempo real sobre tensiones y deformaciones. En robótica, las células de carga permiten la retroalimentación de fuerza, crucial para las manipulaciones delicadas y el montaje automatizado. Además, se utilizan en la industria aeroespacial, las pruebas de choque de automóviles, la biomecánica y la agricultura.
Precios
El coste de las células de carga varía mucho en función del tipo, la capacidad, la precisión y la resistencia ambiental. Las células de carga de galgas extensométricas básicas pueden costar entre 30 y 100 dólares. Los modelos de alta capacidad o gran precisión pueden costar entre varios cientos y miles de dólares, sobre todo para aplicaciones especializadas como ensayos aeroespaciales o metrología de alta precisión.
Preguntas técnicas habituales
¿Qué es una célula de carga?
Una célula de carga es un sensor que convierte la fuerza mecánica en una salida eléctrica, normalmente mediante la tecnología de galgas extensométricas.
¿Cómo funciona una célula de carga?
Funciona detectando la deformación en un elemento extensométrico causada por la fuerza aplicada, traduciéndola en una señal eléctrica medible.
¿Qué es una célula de carga de galgas extensométricas?
Es una célula de carga que utiliza galgas extensométricas de resistencia eléctrica adheridas para detectar los cambios de deformación debidos a las cargas aplicadas.
¿Cuál es la ecuación de una célula de carga?
La ecuación típica se basa en el puente de Wheatstone y los cambios de resistencia: .
¿Qué es una célula de carga de compresión?
Una célula de carga diseñada específicamente para medir fuerzas de compresión (empuje).
¿Qué es una célula de carga de botón?
Una célula de carga de compresión pequeña, en forma de disco, que se utiliza en aplicaciones con limitaciones de espacio.
¿Qué es una célula de carga de grúa?
Una célula de carga de tracción de alta capacidad utilizada para medir la carga en grúas y polipastos.
¿Qué es una célula de carga digital?
Una célula de carga con electrónica integrada que emite una señal digital, lo que simplifica la adquisición y el procesamiento de datos.
¿Qué es una célula de carga hidráulica?
Una célula de carga que utiliza un pistón para comprimir un fluido, con cambios de presión que reflejan la fuerza aplicada.
¿Qué es una célula de carga neumática?
Una célula de carga que mide la fuerza equilibrándola con la presión del aire.
¿Qué es una célula de carga inductiva o de reluctancia?
Una célula de carga que utiliza principios electromagnéticos para detectar el desplazamiento debido a la fuerza, útil en entornos de detección específicos.
En resumen, las células de carga son componentes fundamentales en sistemas que exigen una medición precisa de la fuerza. Al comprender sus principios, tipos y aplicaciones, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas a la hora de seleccionar la célula de carga adecuada para sus necesidades específicas.
