Células de carga

Datos interesantes sobre los sensores de fuerza, la instalación, el diseño y el principio de medición subyacente

Guía de la célula de carga

Sensores de fuerza

Vigas de flexión, células de carga de botón y células de carga tipo S con tecnología de medición por galgas extensométricas

Los sensores de fuerza convierten las fuerzas que actúan en señales eléctricas. En función de la dirección de la fuerza, un cuerpo elástico metálico experimenta alargamientos y compresiones, que son detectados eléctricamente por elementos sensores y transmitidos para el procesamiento de la señal. Todos nuestros transductores de fuerza se basan en la probada tecnología de sensores de puente completo de galgas extensométricas y proporcionan una señal de salida analógica en mV/V.

Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo de medición no deben superar la fuerza nominal para la que está diseñado el sensor de fuerza. La fuerza nominal viene determinada por la rigidez del cuerpo de medición. El diseño y el material definen a su vez la rigidez del cuerpo de medición.

Ofrecemos una amplia gama de sensores estándar para la absorción de fuerzas de cargas pequeñas hasta varios cientos de kilonewtons. Para la realización de tareas de medición especiales, nuestra larga experiencia y nuestros amplios conocimientos de aplicación están a su disposición para el diseño óptimo; y eso ya desde pequeñas cantidades.


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Principio de funcionamiento de las células de carga

La cadena de medición de los sensores de fuerza consta de un cuerpo de deformación mecánica, un transductor mecánico-eléctrico (elemento sensor) y un amplificador eléctrico posterior para procesar la señal medida.

El modo de funcionamiento es básicamente el mismo para todos los sensores de fuerza y, gráficamente, una viga de flexión (cuerpo de deformación) es el que mejor ilustra el principio: se ejerce una fuerza sobre un cuerpo de deformación en el que se producen zonas de compresión y expansión. A este cuerpo se le adosan elementos sensores que detectan estos cambios de forma, los convierten en señales eléctricas y los transmiten para su procesamiento. Para obtener un resultado igualmente exacto, las trayectorias de deformación deben ser lo más pequeñas posible por su diseño.

Dependiendo de la aplicación y de las fuerzas a medir, los elementos de deformación se utilizan en los siguientes diseños constructivos

  • Viga de flexión
  • Células tipo S
  • Células de botón

se utilizan. El diseño y el material determinan significativamente las propiedades de un sensor de fuerza y, sobre todo, la fuerza nominal.


Tecnología de sensores de galgas extensométricas

En un transductor de fuerza, el cuerpo de medición es decisivo para la calidad en la cadena de medición. Esto se debe a que experimenta compresión y expansión debido a la aplicación de la fuerza. Pero básicamente sólo una pequeña parte de un transductor de fuerza es el sensor de fuerza real. Para detectar las fuerzas, los elementos sensores, llamados galgas extensométricas de lámina o galgas extensométricas para abreviar, sólo se fijan en determinados puntos del cuerpo deformado. Estas bandas extensométricas (convertidores mecánico-eléctricos) convierten la deformación y la compresión mecánicas en el cuerpo de deformación en señales medibles eléctricamente. Las bandas extensométricas constan de una rejilla de resistencia metálica muy fina y están unidas al cuerpo de medición con una lámina portadora aislante en el circuito de puente de Wheatstone (cuatro elementos de banda extensométrica) en las zonas de tensión y compresión calculadas: dos elementos detectan la tensión, dos la compresión que se produce. Los elementos de las galgas extensométricas se alimentan mediante una tensión de alimentación. Si el cuerpo de medición experimenta una expansión/compresión, la resistencia en la rejilla de la galga extensométrica cambia y, por tanto, la tensión de salida. Dado que los cambios de resistencia se encuentran en un rango de pocos mV/V, la señal de tensión se procesa en el circuito amplificador posterior para su tratamiento.

Ventajas de la tecnología DMS:

  • Muy alta precisión
  • Extremadamente robusto
  • Excelente para los cambios de carga dinámicos
  • Estabilidad a largo plazo extremadamente alta
  • Tecnología probada

Circuito de puente de Wheatstone

En el caso de un cuerpo de medición sin carga con un circuito de puente de galgas extensométricas equilibrado, la tensión de salida es de cero voltios. Dado que un cuerpo de medición reacciona a los cambios de temperatura con la tensión y la compresión, por ejemplo, el circuito de puente de Wheatstone suprime en gran medida estas influencias de la temperatura. La llamada tensión aparente apenas influye en el punto cero en este tipo de circuito. Dado que cada uno de los dos pares de galgas extensométricas (un par para la compresión / un par para la tensión) experimenta un cambio casi idéntico en la resistencia en términos de magnitud y dirección, no hay casi ningún cambio en la señal de salida en total. La simetría del circuito del puente de galgas extensométricas también compensa en cierta medida los momentos mecánicos de flexión no deseados o las influencias de la fuerza transversal en diagonal a la dirección de medición.

La tensión de salida Ua es igual a cero si la relación de las resistencias de ambas ramas del puente es igual. Si existen estas relaciones de resistencia, el puente se denomina equilibrado. Ua es del orden de unos pocos milivoltios [mV], por lo que las señales eléctricas se dan en la unidad de milivoltios por voltio [mV/V].


Amplificador de medida (integrado o externo) y calibración

Destacan especialmente nuestras versiones KT. Estos transductores de fuerza se ofrecen con un amplificador de medida integrado en la carcasa del sensor y se calibran en fábrica. Esto elimina el trabajo de cableado entre el sensor de fuerza y el amplificador de medición, así como el laborioso trabajo de ajuste entre el sensor y el amplificador. Se obtiene una señal estable en una unidad, que por lo demás está en el rango mV/V.

Todos los transductores de fuerza con electrónica incorporada o con salida normalizada se calibran en Newton en la dirección de fuerza deseada en fábrica. En función de la posición de montaje especificada (vertical o suspendida) o de la dirección de carga preferida (fuerzas de compresión o de tracción), se realiza un ajuste del punto cero y del valor característico.

Por ello, para los sensores sin amplificador de medida integrado, se ofrecen amplificadores de medida externos como nuestro IMA2 DMS.

Versiones KT con amplificador de medida

Amplificador de medida externo


Instrucciones de instalación

Para una instalación impecable y segura de los transductores de fuerza, hay que respetar algunas reglas básicas importantes.

Aplicación de la fuerza: aplicar y disipar siempre las fuerzas de forma perpendicular y precisa

La fuerza de medición debe actuar con la mayor precisión posible en la dirección de medición de la célula de carga. Así, la carga aplicada y el transductor de fuerza forman una línea continua de acción de fuerza. En el caso de las fuerzas de carga compuesta, hay que determinar la línea de acción real de la fuerza (vector de fuerza resultante) y alinear la célula en consecuencia. Los componentes que actúan de forma diferente, como las cargas descentradas, las fuerzas transversales o los momentos de torsión, son variables perturbadoras y falsean la señal de medición. Además, el cuerpo del muelle puede deformarse de forma irreversible. Deben evitarse a toda costa las deformaciones o los ajustes mecánicos (por ejemplo, agujeros autoperforados en el cuerpo de medición).


Protección contra choques, sobrecargas y roturas

Cuando se diseñan dispositivos para la medición de fuerzas, debe respetarse estrictamente la fuerza nominal especificada para excluir las incertidumbres de medición o, en el caso límite, la destrucción debida a la deformación irreversible del transductor de fuerza. Si la construcción mecánica de un dispositivo de medición de fuerza no permite excluir una sobrecarga que se produzca en el caso límite, deberán instalarse dispositivos adecuados para proteger la célula de carga. En el caso de las fuerzas de compresión, por ejemplo, los soportes pueden limitar el rango de deformación del cuerpo de deformación. Debe prestarse especial atención cuando se instala un sensor de fuerza cargado con fuerza de tracción en posición suspendida. En el caso de cargas suspendidas o flotantes, deben tomarse precauciones para asegurar la carga (por ejemplo, mediante cadenas o cuerdas de suspensión montadas en paralelo a la célula de carga). De lo contrario, existe la posibilidad de que el cuerpo de medición se "rompa/desgarre" en caso de sobrecarga y la carga se caiga.

Propiedades del sustrato: Superficie de apoyo estable y sólida

En el caso de las células de carga de botón en particular, el cuerpo de medición debe instalarse sobre una plataforma sólida, respetando las instrucciones de montaje. Debe evitarse a toda costa la desviación de la placa base. La base prevista para el montaje debe ser lo suficientemente grande y tener una superficie de montaje lo más plana posible.

Formar una cadena de medición estructuralmente estable

La guía de carga, los componentes de aplicación de la fuerza y el transductor de fuerza deben estar conectados de forma rígida, es decir, sin juego. En el caso de posiciones de montaje móviles, en particular también en el caso de montaje suspendido en la dirección de la tensión, deben utilizarse cabezales con rótulas o tuercas anulares para la introducción de la fuerza. En el caso de los grados de libertad multieje, debe utilizarse un montaje con cardán para evitar las incertidumbres de medición, así como la destrucción del transductor por fuerzas transversales y laterales no permitidas.


Fuerza de tracción y/o fuerza de compresión

Preferiblemente, las células de carga están programadas para una dirección de carga, es decir, para la carga de tracción o de compresión. Sólo los sensores de fuerza tipo S-Beam son adecuados para cargas alternas. Las vigas de flexión y las células de carga tipo botón normalmente sólo pueden cargarse a compresión (¡observe la aplicación de la fuerza en la hoja de datos!). Los sensores de fuerza con electrónica integrada se calibran en una sola dirección, en tensión o en compresión.


Evitar los golpes y las vibraciones

Las señales de choque y vibración influyen en el resultado de la medición de una célula de carga (fuerza F = masa "m" x aceleración "b"), por ejemplo, por superposición durante las mediciones estáticas. Las fuerzas dinámicas que se producen deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar los rangos de medición, y debe evitarse la sobrecarga de la célula debido a los cambios de carga dinámica. La frecuencia de resonancia de los distintos cuerpos de deformación depende, entre otras cosas, de la masa y la rigidez (impedancia mecánica). Una carga de vibración debe estar claramente por debajo de esta frecuencia de resonancia en su rango de frecuencia.

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