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¿Cómo funcionan las celdas de carga?

La celda de carga es uno de los elementos más importantes de una báscula electrónica, ya que se encarga de traducir la fuerza en una señal de voltaje (celda de carga analógica) o en un valor digital (celda de carga digital). La celda de carga analógica con galgas extensométricas es la que se utiliza más comunmente y es la que trataré de explicar en este breve artículo.

Las celdas de carga consisten en un metal que sufre una deformación conforme se le aplica una fuerza. Este metal se calcula para soportar un rango de fuerza (que va desde cero fuerza hasta la capacidad máxima) ya sea a tensión, compresión o ambos. La deformación se realiza en la "parte elástica", esto es lo que limita la capacidad de una celda de carga. Al momento de sobrepasar la parte elástica del metal, sufre una deformación permanente, así como un resorte que se estira de más y ya no regresa a su punto inicial (cuando detecta cero fuerza).

Al metal, se le adhieren galgas extensométricas. Las galgas extensométricas consisten en un metal que al flexionarse varía su resistencia. Las galgas se conectan en un arreglo de puente de wheatstone, de tal forma que al alimentarse con un voltaje entregan una señal de voltaje proporcional a la fuerza aplicada. La señal de voltaje entregada es en el orden de milivolts. Éste voltaje se representa comunmente proporcional al voltaje de alimentación y a máxima carga (capacidad de la celda), por ejemplo 2mV/V nominal. Quiere decir que si se alimentan con 10Vdc la señal que se va a tener a la capacidad máxima es de 20mV. En el caso ideal, la señal es lineal, esto es, para el ejemplo anterior si se aplica el 50% de la capacidad se tendrán 10mV y si se aplica cero fuerza se obtendrían 0mV.

La señal de la celda se lleva a un convertidor análogo-digital para convertirla a un valor numérico digital, este valor se multiplica por un factor para convertirlo a unidades de pesaje kg, lb, etc. En sí, las básculas miden la fuerza que genera un objeto y como la Fuerza es igual a la Masa por la aceleración (F=m.a) y la aceleración es una constante (la gravedad de la tierra) se puede decir que la Masa es directamente proporcional a la Fuerza. El factor es el que se ajusta en una calibración de ganancia.

En el caso de las plataformas que contienen más de una celda de carga, la capacidad se suma, sin embargo la señal en milivolts a máxima carga (con la suma de la capacidad) permanece igual (al utilizar caja de sumas). Por ejemplo, para una plataforma con 4 celdas de carga de 1,000kg, con salida de 2mV/V c/u, al alimentarlas con 10Vdc se obtendrán 20mV al tener 4,000kg. Es por eso que en un indicador digital de peso, la resolución normalmente se especifica en divisiones de la capacidad máxima, esto es, la resolución depende de la capacidad de la(s) celda(s) de carga utilizada(s) y no se puede dar en unidades de pesaje.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Cómo puedo determinar si mi báscula tiene una celda de carga dañada?

1. Desconectar la señal de salida (S+ y S-) del indicador o de la caja de sumas, dejando solamente la señal de alimentación conectada (E+ y E-) y encender la fuente de poder (indicador) y medir el voltaje de alimentación Va (típicamente va desde 5Vdc hasta 15Vdc).

2. Conectar el multímetro midiendo en milivolts entre los cables S+ y S- y medir el voltaje sin peso (Vo) y con uno o más pesos conocidos (V1, V2, etc) y tomar nota de ellos.

3. Revisar si es posible la placa de la celda de carga para ver la señal de salida nominal (2mV, 3mV/V, etc), si no se tiene ese dato, se puede deducir por regla de tres simple con dos o más cargas.

4. Si se tiene más de una celda, repetir los pasos 1 a 3 para cada una (en la caja de sumas).

5. Cuando se tienen varias celdas es fácil saber (a menos que todas estén dañadas) ya que se hace una comparación de resultados y si una de ella da lecturas MUY diferentes a las demás, se puede determinar cuál es la celda de carga dañada.

6. Si el voltaje sin carga Vo es mayor que Va (alimentación) por la señal de salida nominal (si no se tiene suponer 3mV/V) entonces la celda está sobrecargada. Por ejemplo, si se alimenta con 5Vdc y la celda es de 2mV/V y Vo es mayor a 10mV, quiere decir que la celda está registrando una fuerza mayor a la capacidad máxima sin tener ninguna carga... este es el caso típico ya que el metal se quedó doblado y ya no regresó por haber excedido la capacidad de la celda (fuera de la zona elástica).

7. Calcular la diferencia de voltaje entre V1 y Vo y la diferencia de peso aplicados en V1 y Vo y hacer una aproximación por regla de tres simple. Por ejemplo, si la celda es de 100kg y se alimenta con 5Vdc y tiene una señal de 2mV/V, entonces a 100kg son 10mV y a X kg (carga en V1) son (X*10mV)/100kg = Y mV... si Y es igual o similar a V1, entonces está bien... hacer lo mismo con V2, V3, etc.

8. Una vez que se determinó que una celda está mal. Desconectarla completamente del sistema y medir resistencia (multímetro en ohms) entre todos los cables (todos contra todos) para revisar que no haya un cable roto o que esté machucado y haya un corto. La resistencia medida entre E+ y E- debe ser muy similar a entre S+ y S-, y la medición en ohms entre E+ y S+, E+ y S-, E- y S+, E- y S- deben de ser muy similares también. La medición de la malla con las cuatro (E+, E-, S+ y S-) debe ser infinito (circuito abierto). Revisar la integridad del cable, y realizar las mediciones "moviendo" el cable (para encontrar si hay falsos).

¿Cuáles son los problemas más comunes y cómo puedo solucionarlos?

Los siguientes ejemplos suponen que la báscula ya estuvo funcionando bien un tiempo y "de pronto" comienza a fallar.

1. La lectura de peso no regresa a cero, se queda desplegando un peso cuando no hay nada sobre la plataforma.- Si la lectura de peso se incrementa al colocar peso arriba y diferencialmente es correcto y al quitarlo regresa siempre a lo mismo, es muy probable que la celda haya sufrido un pequeño daño por sobrecarga, en este caso intentar hacer una calibración si no se puede hacer cero o si marca sobrecarga antes de la capacidad máxima real. Si al colocar peso la lectura se incrementa y se sigue incrementando lentamente o al quitar el peso no regresa a cero pero se está moviendo lentamente, es muy probable que haya algo que esté rozando con la plataforma o que tenga algún tornillo flojo... no intente recalibrar, porque en realidad estaría "descalibrando" y después será muy difícil encontrar el problema. Si al colocar peso la lectura no se mueve o todo el tiempo la lectura solo está moviéndose sin ningún sentido, es muy probable que haya algún falso contacto o un cable roto, o que se haya mojado los cables o la caja de sumas, etc. En este caso, tampoco intente hacer una calibración ya que solamente estaría empeorando el problema, debe intentar encontrar primero la raíz del problema.

2. El indicador marca un mensaje de error como -BAJO- o SOBRE (O-----, U------).- Si marca -BAJO- ó U------ y al aplicarle carga comienza a detectar peso y diferencialmente es correcto y al quitarlo regresa a lo mismo, es muy probable que la celda haya sufrido un pequeño daño o se haya cambiado el peso original de cero (estructura del tanque, plataforma, etc), en este caso intentar hacer una calibración. Si al aplicarle carga sigue marcando -BAJO-, seguramente haya una celda con un daño permanente, verificar el estado de las celdas con un multímetro (ver pregunta anterior), o es muy probable que esté roto el cable o haya un falso contacto. Si marca SOBRE ó O------, si no hubo ningún cambio en la estructura de la báscula reciente, es muy probable que haya un cable roto o se haya dañado alguna celda de carga por sobrecarga.

Tengo una celda de carga pero no tengo documentación ¿Cómo puedo determinar cuál cable es cuál (E+, E-, S+, S-,R+, R-)?

Para este procedimiento se requiere de un ohmetro.

Si el cable tiene 4 hilos (la malla no se toma en cuenta) se sigue este procedimiento: Se numeran del 1 al 4 al azar. Se mide la resistencia entre 1 y 2, 1 y 3, 1 y 4. De las tres mediciones, 2 van a ser muy parecidas (o iguales) y una mayor y diferente. Por ejemplo: 1 y 2=288 ohms, 1 y 3=288 ohms, 1 y 4=400 ohms. En este caso se determina que 1 y 4 es un "par" y 2 y 3 es otro "par", un par es alimentación y el otro es señal. Después se mide la resistencia entre los dos menores (en el ejemplo es 2 y 3), y la resistencia que sea mayor entre pares, entonces es la excitación (y el otro par es la señal). Por ejemplo, si 2 y 3 es 350 ohms, entonces, 1 y 4 es la excitación (E+ y E-) y 2 y 3 es la señal (S+ y S-). La polaridad se determina conectando la celda al equipo y ejerciendo una fuerza (compresión o tensión) y si la señal está invertida (si al comprimir se hace negativo en lugar de hacerse positivo por ejemplo), solamente invertir uno de los pares, ya sea la excitación o la señal. Todos los hilos con respecto a la malla deben de estar como circuito abierto y todos (incluyendo la malla) con respecto al cuerpo (metalico) de la celda, también deben estar en circuito abierto.

Si el cable tiene 6 hilos (la malla no se toma en cuenta) primero se busca qué cables marcan una resistencia de 0 ohms (en corto), en ese caso se eliminan esos dos cables que estan en corto con otros dos, y queda un cable de 4 hilos para seguir el procedimiento explicado arriba. Los cables que estén unidos serán R+ y R- (E+ está unido a R+ y E- está unido a R-).

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