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Células de carga: explicadas

Sistemas de células de carga para tanques, tolvas de pesaje

Básculas industriales para tanques, tolvas de pesaje

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Resumen de la sección
1. ¿Qué es una célula de carga? ¿Cómo funciona?
2. ¿Cuáles son los diferentes tipos de células de carga?
3. Precisión de las células de carga
4. Calibración de las células de carga
5. Puntos importantes
6. Compra de células de carga: fabricantes de células de carga

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Esta página explora los diferentes tipos y diseños de células de carga que se pueden utilizar en las industrias de procesos.

1. ¿Qué es una célula de carga? ¿Cómo funciona?

Las células de carga son instrumentos que pueden convertir una fuerza ejercida sobre ellas (por ejemplo, por un tanque o una tolva) en una señal eléctrica.Cuanto mayor sea la fuerza (peso), mayor será la señal eléctrica producida. Un controlador calibrado adecuadamente puede traducir la corriente eléctrica en una unidad de peso comprensible para el usuario.

Las células de carga desempeñan un papel central en muchos procesos de polvo, ya que permiten medir el peso de los sólidos procesados. Las células de carga se utilizan para Dosificación propósito o recuperación de balance de masa.

La especificación adecuada, calibración y posterior mantenimiento de los sistemas de células de carga es fundamental para garantizar que el proceso se desempeñe según lo diseñado, produzca dentro de las especificaciones de calidad y a un costo controlado.

Figura 1: Diseño e instalación típicos de una célula de carga

2. ¿Cuáles son los diferentes tipos de células de carga?

Elegir una célula de carga por tipo

Existen diferentes principios tecnológicos para las células de carga, pero la mayoría son células de carga de tipo puente de Wheatstone, lo que significa que los puentes de Wheatstone están unidos al cuerpo de la célula de carga. Cuando el cuerpo se deforma debido a la fuerza/peso aplicado por el equipo en el que está montado, el puente de Wheatstone también se deforma, lo que tiene como efecto cambiar su resistencia. Luego es posible medirlo a través del voltaje y enviar una señal digital a un controlador gracias a un convertidor analógico-digital (por ejemplo, HX711). El voltaje es proporcional a la deformación y, por lo tanto, a la fuerza aplicada.

Los diferentes principios de pesaje para las células de carga de tipo puente de Wheatstone se resumen a continuación:

Tabla 1: Los diferentes principios de las células de carga

Células de carga de compresión (botón de carga)

Células de carga de compresión/tensión

Células de carga de viga de flexión

Células de carga de viga en S

Células de carga de viga de corte de punto único Células de carga de viga de corte de doble extremo

Células de carga de torsión de anillo

Células de carga de tipo tarro

También existen células de carga piezoeléctricas que no utilizan puentes de Wheatstone, sino más bien un material piezoeléctrico que genera un voltaje dependiendo de la fuerza a la que está sometido.

Las células de carga industriales se pueden instalar en muchos lugares en los procesos de sólidos a granel. Equipos comunes son básculas de tanques y tolvas utilizadas para fines de dosificación (tolva de pesaje sobre células de carga) o para tener una idea del stock de producto en un momento dado (tanques o silos sobre células de carga).

Las células de carga de viga de flexión se utilizan muy a menudo para medir el peso de las tolvas:

Figura 2: Célula de carga de viga de flexión

Otra opción para una aplicación similar puede ser células de carga de tensión/compresión (células de carga tipo torta):

Figura 3: Célula de carga de tensión-compresión (tipo torta)

3. Precisión de las células de carga: ¿Cuál es la precisión de las células de carga?

Para obtener una medición buena y confiable, es necesario en primer lugar seleccionar los sensores de células de carga en función del rango de medición de las células de carga y la sobrecarga que se pueda aplicar a las células de carga durante su funcionamiento.

El operador del proceso debe determinar cuál es el rango de medición que constituirá las condiciones de funcionamiento normales de las células de carga y para el cual requiere una cierta precisión. Este rango definirá el rango de medición de las células de carga. A partir de este rango, se necesitan diferentes factores de seguridad para prevenir daños en las células de carga por sobrecarga.

Los valores dados a continuación constituyen un enfoque general, debe realizarse una evaluación para verificar si las células de carga no se encontrarán con cargas más altas después de la instalación (durante algunas operaciones de mantenimiento, por ejemplo).

Tabla 2: Definiciones de capacidad de células de carga

Variable de capacidad	Definición
Rango de medición de la célula de carga	Rango para el que la lectura debe estar dentro del error máximo permisible Este es el peso que se espera medir en el proceso (por ejemplo, el peso máximo a dosificar para una receta)
Límite de carga segura	Carga máxima que se puede aplicar a las células de carga sin causar daños. Regla empírica: 150% del rango de medición
Carga máxima	Carga máxima que se puede aplicar sin provocar daños físicos. Sin embargo, la precisión puede verse afectada si se alcanzan tales cargas. Regla empírica: 300% del rango de medición
Carga lateral segura	Carga máxima que se puede aplicar a 90 grados (en el lado) sin causar daños. Regla empírica: 100% del rango de medición

Algunos fabricantes también proponen módulos de tensión. La carga entonces tira de la célula de carga en lugar de empujarla, como en la mayoría de las aplicaciones.

Los eventos que pueden llevar a una sobrecarga incluyen: carga de choque, agitadores en movimiento (carga dinámica), carga fuera de centro, sobrecarga de una báscula.

Deberían aplicarse fórmulas de cálculo para tener en cuenta la situación en la que se instalará la célula de carga y luego seleccionar las capacidades de células de carga adecuadas.

Figura 4: Representación gráfica de capacidades y cargas

Para un proceso industrial, en un entorno industrial, se puede alcanzar una precisión del 0,1% del peso aplicado. Las células de carga de alta precisión podrían alcanzar alrededor del 0,03% de la capacidad nominal (rango máximo de medición).

El error de la báscula es la combinación de errores de calibración, linealidad, histéresis y repetibilidad. Es posible realizar una secuencia de calibración para que la secuencia de calibración se reduzca a alrededor de 0, así como los errores de repetibilidad deben ser muy mínimos (menos del 0,03% de la capacidad nominal). En la práctica, la precisión del sistema de básculas será igual al error combinado.

Error combinado = No linealidad + Histéresis = 0,02 a 0,03% de la capacidad nominal. Esto es para 1 célula de carga.

Todas las lecturas, desde 0 kg hasta la capacidad nominal, deben estar dentro de la precisión (Error combinado * Capacidad nominal * Número de células de carga). Esto significa que a baja carga, el error (como % del peso aplicado) debe ser mayor que a alta carga.

Figura 5: Gráfico de rendimiento de las células de carga

Además, el error de repetibilidad, que debe ser muy mínimo, debe controlarse después de la instalación para asegurarse de que no haya problemas.

Otra característica importante es el intervalo de verificación mínimo (vmin). Es la cantidad mínima de masa que debe aplicarse a las células de carga sin exceder el error máximo permisible. Debe relacionarse con el error combinado, que se expresa como % de la capacidad nominal. Durante el diseño, debe comprobarse que (vmin=Emax/gamma <h; peso mínimo esperado en la báscula).

La resolución de la báscula también debe definirse. Está relacionada con el número de dígitos que mostrará la báscula, aunque no está directamente relacionada con la precisión de las células de carga (es una ilusión pedir más dígitos que la precisión de las básculas).

Resumen: características importantes del sensor de célula de carga a definir al diseñar una instalación

Tabla 3: definición de valores de diseño para células de carga

Parámetro de diseño	Definición
Error combinado	El error combinado proporciona la precisión máxima que se puede esperar de las células de carga calibradas correctamente. Para células de carga individuales, debería estar en el rango del 0,03% de la Capacidad Nominal (Emax). Como consecuencia, se espera una mayor precisión a cargas altas que a cargas bajas
Intervalo mínimo de verificación (vmin)	Esta es la carga mínima que debe aplicarse a las células de carga para mantenerse dentro de la precisión de diseño
Resolución	Este es el número de dígitos que pueden mostrarse en las células de carga. No está relacionado con la precisión

4. Verificación de la calibración de las células de carga

Para realizar la calibración de las células de carga, es necesario disponer de una referencia. Esta referencia suele proporcionarse mediante pesos de prueba que han sido calibrados por institutos reconocidos

A continuación, es necesario seguir un procedimiento definido por el proveedor para cargar la báscula con una masa definida, comprobar y registrar la lectura, y corregir los posibles errores. En algunas situaciones, para básculas muy grandes, puede ser necesario llenar la báscula con agua para realizar la calibración

Las células de carga deben someterse a las siguientes pruebas, que deben realizarse en el orden indicado:

Tabla 4: definición de pruebas de calibración para células de carga

Prueba	Definición
Prueba de fricción	La prueba se realiza añadiendo y retirando varias veces el mismo peso de la báscula. La pantalla mostrada debe ser la misma y no debe cambiar en más de un 0,02% de la Capacidad Nominal de la báscula La prueba de fricción asegurará que no haya desviación de la repetibilidad (explicada anteriormente) debido a alguna interacción del entorno con las células de carga (por ejemplo, la báscula está en fricción con otra parte)
Prueba de arrastre	La prueba se realiza añadiendo un peso a la báscula y esperando un tiempo definido. Durante el tiempo de espera, la lectura no debe cambiar en más de un 0,01% de la Capacidad Nominal de la báscula La prueba de arrastre detectará cualquier tensión que se relaje debido a la aplicación del peso (por ejemplo, una tensión en un elemento flexible)
Linealidad e histéresis (= error combinado)	Se añaden pesos gradualmente a la báscula y luego se retiran. Los valores leídos se comparan con los valores calibrados del peso Detectará cualquier desviación de la linealidad o histéresis que pueda ser indicio de una calibración incorrecta de las células de carga o de una interacción del entorno con la báscula Puede que no sea posible probar toda la báscula, en cuyo caso se debe apuntar como mínimo al 10% de la Capacidad Nominal

Las pruebas y valores de referencia indicados anteriormente son generales y las recomendaciones de los proveedores pueden variar. Se ofrecen como primeras indicaciones y para realizar comprobaciones de sentido común. Siempre debe verificarse la documentación y el manual del proveedor. Las tres pruebas indicadas anteriormente son las mínimas que deben realizarse, y los fabricantes pueden solicitar otras pruebas, especialmente para alimentadores de precisión

5. Puntos importantes

Instalación de células de carga

Las células de carga son muy sensibles a la corriente. Un punto especialmente importante es garantizar que las células de carga estén eléctricamente aisladas si se están realizando trabajos de soldadura cerca de ellas. Una buena práctica sería instalar las células de carga una vez finalizados todos los trabajos de soldadura. Si las células de carga no están correctamente aisladas o si la toma a tierra de la estación de soldadura no está correctamente colocada, las corrientes de fuga pueden dañarlas

Células de carga en entornos adversos: abordando los desafíos ambientales

En los procesos industriales, las células de carga a menudo se enfrentan a condiciones ambientales desafiantes que pueden afectar su rendimiento. Factores como las variaciones de temperatura, la humedad y las sustancias corrosivas pueden afectar la precisión y la longevidad de las células de carga. Los ingenieros deben tener en cuenta estos desafíos ambientales durante las fases de diseño e instalación para garantizar la fiabilidad del sistema de pesaje

Una consideración clave es el sellado y la protección de las células de carga contra el polvo, la humedad y los productos químicos agresivos. La implementación de recintos adecuados y medidas de protección, como las clasificaciones IP, puede salvaguardar las células de carga de los elementos externos. Además, los ingenieros deben explorar modelos de células de carga con una mayor resistencia ambiental, específicamente diseñados para aplicaciones en condiciones corrosivas o extremas

Las rutinas de mantenimiento regulares deben incluir comprobaciones de la integridad de las medidas de protección y del estado general de las células de carga. Las inspecciones periódicas pueden ayudar a identificar posibles problemas de forma temprana, evitando fallos del sistema y garantizando mediciones de peso precisas a largo plazo. En resumen, abordar los desafíos ambientales es crucial para mantener la precisión y fiabilidad de las células de carga en entornos industriales

6. Compra de células de carga: fabricantes de células de carga

Es importante confiar en fabricantes de sensores de células de carga probados para obtener un sistema de pesaje preciso, fiable y duradero

El lector puede consultar la empresa GAROS (www.garos.fr) para obtener información sobre células de carga, asesoramiento experto y compra (nota que PowderProcess.net no tiene vínculo con esta empresa)

Otras opciones son células de carga HBM, OMEGA, células de carga FLINTEC, Tedea-Huntleigh, Sensortronics, célula de carga mettler toledo, células de carga Vishay, células de carga HARDY (nota que PowderProcess.net no tiene vínculo con estas empresas)