Medir la carga con sensores basados en puente

¿Qué son la fuerza y la carga?

Fuerza es la medida de la interacción entre los cuerpos: para cada acción hay una reacción igual y opuesta. La fuerza también se describe como empujar o tirar de un objeto. Es una cantidad vectorial con magnitud y dirección.

Carga es un término normalmente utilizado para referirse a la fuerza ejercida sobre una estructura o cuerpo. La unidad para fuerza o carga reconocida por el SI es el Newton (N). Las celdas de carga miden directamente la fuerza o el peso. Estos transductores convierten la fuerza mecánica en señales eléctricas midiendo las deformaciones producidas por la fuerza o el peso. Una aplicación común de estos dispositivos es medir materiales secos o líquidos en una tolva. Una medida del peso a través de una celda de carga produce una medida de la cantidad de material en la tolva.

Medir la carga

La manera de medir la carga es a través de una celda de carga. Los diferentes tipos de celdas de carga operan de diferentes maneras, pero la celda de carga más utilizada es la celda de carga de galgas extensiométricas. En general, usted usa un ensamble de viga que tiene varias galgas extensiométricas montadas en una configuración de puente Wheatstone de modo que la aplicación de una fuerza causa una tensión en el ensamble que están midiendo las galgas extensiométricas. Generalmente, estos dispositivos se calibran para que la fuerza esté directamente relacionada con el cambio de resistencia. Las celdas de carga neumáticas e hidráulicas menos utilizadas traducen la fuerza en medidas de presión. Cuando se aplica fuerza a un lado del pistón o diafragma, se mide la cantidad de presión (neumática o hidráulica) aplicada al otro lado para equilibrar esa fuerza. El resto de esta nota técnica se enfoca en las celdas de carga basadas en puente o galgas extensiométricas.

El componente mecánico más crítico de una celda de carga o un transductor de galgas extensiométricas es la estructura (elemento de resorte). La estructura reacciona a la carga aplicada y enfoca esa carga en un campo de tensión aislado y uniforme donde se pueden colocar galgas extensiométricas para medir la carga. Los tres diseños comunes de estructuras de celdas de carga (viga de flexión múltiple, columna múltiple y shear web) forman los bloques de construcción básicos para todos los perfiles y/o configuraciones posibles de celdas de carga.

Figura 2. Los diseños de estructuras de celdas de carga montan galgas extensiométricas para medir la compresión y la tensión de diferentes maneras. [1].

Las celdas de carga de viga de flexión múltiple son de baja capacidad (20 a 22K N) y cuentan con un elemento de resorte en forma de rueda que se adapta a transductores de bajo perfil. Contiene cuatro galgas activas o conjuntos de galgas por brazo de puente, con pares sujetos a tensiones iguales y opuestas (tensión y compresión).

Las celdas de carga de columna múltiple constan de múltiples columnas para una mayor capacidad (110K a 9M N). En este diseño, cada brazo del puente contiene cuatro galgas extensiométricas activas, con dos alineadas a lo largo del eje principal de tensión y las otras dos en la dirección transversal para compensar el efecto de Poisson.

Las celdas de carga shear web tienen una capacidad media (2K a 1M N) y utilizan una forma de rueda con mallas radiales. Las cuatro galgas extensiométricas activas por brazo de puente están adheridas a los lados de la red, a 45 grados del eje de la viga.

Elegir la celda de carga adecuada

Las celdas de carga operan en dos modos básicos: el modo de compresión, durante el cual el recipiente de pesaje se encuentra en una o más celdas de carga o el modo de tensión, durante el cual el recipiente de pesaje cuelga de una o más celdas de carga. Usted puede diseñar las diferentes configuraciones de la estructura de la celda de carga mencionadas en la sección anterior usando cualquiera de estas configuraciones para fuerzas de compresión solamente, o puede diseñarlas para medir una fuerza de tensión y una fuerza de compresión.

Más allá de la medida principal, usted selecciona una celda de carga principalmente en función de la capacidad, la precisión y las limitaciones físicas del montaje o la protección del medio ambiente. No puede determinar el rendimiento esperado por un solo factor. Debe identificarlo a través de una combinación de diferentes parámetros del sensor y la forma en que usted diseñó la celda de carga en su sistema. Consulte la tabla para comparar el rango, la precisión, la sensibilidad y el precio de los diferentes tipos de celdas de carga.

Capacidad—Define sus requisitos de capacidad mínima y máxima. Asegúrese de seleccionar la capacidad sobre la carga operativa máxima y determinar todas las cargas y momentos extraños antes de seleccionar una celda de carga. La capacidad de carga debe ser capaz de soportar lo siguiente:

• Peso de la estructura de pesaje (carga muerta)
• Carga viva máxima que se puede aplicar (incluyendo cualquier sobrecarga estática) 
• Sobrecarga adicional que surge de factores externos como la carga del viento o la actividad sísmica

Frecuencia de medidas—Las celdas de carga están diseñadas para uso general o están clasificadas por fatiga para soportar millones de ciclos de carga sin afectar el rendimiento. Las celdas de carga de uso general están diseñadas para aplicaciones de carga estática o de baja frecuencia. Por lo general, sobreviven hasta 1 millón de ciclos, dependiendo del nivel de carga y el material del transductor. Las celdas de carga con clasificación de fatiga generalmente están diseñadas para lograr entre 50 a 100 millones de ciclos de carga completamente invertidos, dependiendo del nivel y la amplitud de la carga.

Restricciones físicas y ambientales—Una de las características clave a considerar es cómo está integrando la celda de carga en su sistema. Identifique cualquier restricción física que limite el tamaño (ancho, alto, largo, etc.) o la manera en que se puede montar la celda de carga. La mayoría de las celdas de carga de tensión y compresión tienen roscas hembra centrales en la parte superior e inferior para sujetarlas, pero también pueden tener roscas macho o una mezcla de ambas. Considere cómo funcionará el sistema y cuáles pueden ser las peores condiciones de funcionamiento: el rango de temperatura más amplio, el cambio de peso más pequeño que se debe medir, las peores condiciones ambientales (inundación, tempestad, actividad sísmica) y las condiciones de sobrecarga máxima.

Acondicionamiento de señales para celdas de carga

Las celdas de carga pueden ser acondicionadas o no acondicionadas. Usted puede conectar sensores acondicionados directamente a un dispositivo DAQ porque contienen los componentes necesarios para filtrado, amplificación de la señal y los cables de excitación junto con los circuitos regulares para las medidas. 

Si está trabajando con sensores no acondicionados, debe considerar varios elementos de acondicionamiento de señales para crear un sistema eficaz de medidas de carga basado en puente. Es posible que necesite una o más de las siguientes cosas:

• Excitación para alimentar el circuito de puente Wheatstone—Conozca más en el recurso de medidas de tensión
• Detección remota para compensar errores en el voltaje de excitación de cables conductores largos
• Amplificación para aumentar la resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido
• Filtrado para eliminar el ruido externo de alta frecuencia
• Anulación de desfase para equilibrar el puente a la salida de 0 V cuando no se aplica tensión
• Calibración de derivación para verificar la salida del puente a un valor conocido y esperado

Para aprender cómo compensar estos errores y revisar otras consideraciones de hardware para medidas de carga basadas en puente, descargue la Guía del ingeniero para medidas precisas de sensores.

Conectar celdas de carga al hardware de NI

Una vez que sepa cuáles son sus necesidades de pruebas y sensores, el siguiente paso importante es decidir el hardware para recopilar esos datos. La calidad del hardware de adquisición determina la calidad de los datos que usted recopila.

NI ofrece una variedad de hardware de tensión y fuerza que está diseñado para adquirir datos de carga y es compatible con una variedad de sensores basados en puente de carga.