Sensores y transductores de peso y fuerza Los transductores de peso se basan fundamentalmente en 2 tecnologías, que son las galgas extensiométricas y los sensores piezoeléctricos, siendo mucho más habitual encontrar transductores hechos con galgas que con piezoeléctrico. Las galgas extensiométricas son resistencias cuyo valor óhmico varía al variar la longitud del conductor que la forma, al estar pegadas a la columna de acero que se comprime o tracciona al aplicarle un esfuerzo, también aparecen este en la galga, variando de esta forma la resistencia. En la figura 1 se puede ver una galga que se deforma por un solo eje y en la figura 2 otras dos que los hacen por 3 ejes disintos, sirviendo para esfuerzos de torsión. Figura 1. Galga activa por 1 eje.
Figura 2. Galgas activas por 3 ejes.
Como se puede observar en la figura 2, los filamentos que constituyen la galga están direccionadas según un eje activo (en este caso el eje vertical, según se ve), por lo que la disposición de la misma en la columna debe realizarse según este eje activo, la expresión que determina la variación de resistencia de la galga es:
Donde: RF: Resistencia de la galga cuando aplicamos el esfuerzo. R0: Resistencia de la galga en reposo (sin esfuerzo). K: Factor de Galga, normalmente 2. Δl:Incremento de longitud de la columna metálica a la que está pegada la galga. l: Longitud inicial de la columna. Las galgas extensiométricas más habituales son metálicas de factor de galga K=2 y valor óhmico R0 = 120 Ω y como puedes observar en la expresión anterior el valor final de resistencia depende del alargamiento producido en la columna de metálica. La expresión que relaciona el esfuerzo o fuerza aplicada directamente con la variación de resistencia es la siguiente:
Donde: E: Módulo de Young de la columna metálica. F: Fuerza aplicada (positiva si es tracción, negativa si es compresión). S: Sección de la columna metálica. Sensores industriales de peso y fuerza basados en galgas extensiométricas
Los sensores de peso más conocidos en el ámbito industrial son las células de carga, que son los elementos de medida que montan en su interior una columna metálica cuyo módulo de Young es conocido, a esta van pegadas 4 galgas extensiométricas formando una disposición conocida como “puente de Wheatstone”. Las células de carga deben elegirse según el esfuerzo que vayan a soportar, los esfuerzos más habituales son: • Esfuerzo de tracción: Se ejerce por cargas suspendidas, como el pesaje de cargas en puentes-grua o en gruas. La figura 4 muestra una célula de carga de este tipo y la figura 5 una esquema del esfuerzo que se realiza. Figura 4. Célula de carga de tracción.
Figura 5. Esfuerzo de tracción.
• Esfuerzo de compresión. Se ejerce principalmente en básculas-puente para vehículos, tolvas y silos. La figura 6 muestra una célula de carga de este tipo y la figura 7 una esquema del esfuerzo que se realiza. Figura 6. Célula de carga de compresion.
Figura 7. Esfuerzo de compresion.
• Esfuerzo de flexión. Se utiliza para básculas híbridas, monocélula y en plataformas de 4 células. La figura 8 muestra una célula de carga de este tipo y la figura 9 una esquema del esfuerzo que se realiza. Figura 8. Célula de carga de flexión.
Figura 9. Esfuerzo de flexión.
Báscula híbrida: Báscula modificada de una base mecánica existente a la que se adopta la célula de carga como elemento electrónico. Funcionamiento de las células de carga Las células de carga, como se ha comentado anteriormente, llevan montadas una disposición de 4 galgas llamada “puente de Wheatstone”, este puente debe ser alimentado en tensión (entre IN+ e IN-) y proporciona otra tensión (entre OUT+ y OUT-) que depende del esfuerzo realizado, el circuito eléctrico interno es el siguiente: Figura 10.Conexiones eléctricas de una célula de carga.
El parámetro más importante de las células de carga es la capacidad nominal de las mismas, que normalmente se expresa en Kilogramos (kg) o en toneladas (Tn), indica el valor máximo de medida de cada célula, adicionalmente existen especificaciones generales que van a determinar el funcionamiento de esta en las condiciones de uso, vamos a ver el significado de algunos de los términos que se explican en estas, se detallan en la tabla 1: Especificación Sensibilidad nominal (Sn) Tensión de alimentación nominal Tensión de alimentación máxima Límites de la temperatura Carga de servicio (sin perder sus características) Máxima sobrecarga sin rotura
Valor 2 mV / V 10 V 15 V - 20 ... + 50 ºC 150% Ln 200% Ln
Especificaciones de una célula de carga. El significado de estas especificaciones es: - Sensibilidad nominal: Se refiere a la variación de la tensión de salida por cada voltio de la tensión de alimentación cuando variamos el esfuerzo que aplicamos a la célula en todo su campo de medida. - Tensión de alimentación nominal y máxima: Son las tensiones que tenemos que aplicar a la célula para su funcionamiento, se recomienda la nominal pero se puede suministrar hasta la máxima sin peligro para el dispositivo. - Límites de temperatura: Límites máximos en los que se garantiza un funcionamiento correcto. - Carga de servicio: Máxima carga aplicable sin que el dispositivo sufra una variación de sus características elásticas. - Carga máxima: Máxima carga que sobrepasada produce la rotura del dispositivo, entre esta y la de servicio se pueden perder características del mismo, no es recomendable superar la de servicio en ningún caso