Las células de carga son sensores utilizados para medir fuerzas y, mediante un sistema electrónico correctamente calibrado, determinar la masa de un objeto o material. Son componentes fundamentales de los sistemas de pesaje industrial y se utilizan en básculas, plataformas, depósitos, silos, tolvas y sistemas de dosificación.
Pero ¿cómo funcionan las células de carga? ¿Qué tipos existen y qué factores influyen en su precisión? Para comprender sus características, es útil conocer los principios físicos de la medición y las tecnologías que permiten transformar una fuerza mecánica en una señal eléctrica.
¿Qué son las células de carga?
Una célula de carga es un transductor de fuerza, es decir, un dispositivo que convierte una fuerza aplicada en una señal medible. En las aplicaciones industriales más habituales, el sensor está formado por un elemento metálico diseñado para deformarse elásticamente cuando se somete a una carga.
Esta deformación es extremadamente pequeña y, por lo general, imperceptible a simple vista. Los elementos sensibles del dispositivo la detectan y la convierten en una señal eléctrica.
Posteriormente, la señal es procesada por un indicador, un transmisor o un sistema electrónico de control, que permite visualizar el valor medido y utilizarlo en las operaciones de pesaje.
Las células de carga no miden directamente el volumen de un material: detectan la fuerza ejercida por la carga. Mediante una calibración adecuada, el sistema de pesaje puede expresar el resultado en unidades de masa, como kilogramos o toneladas.
¿Cómo funcionan las células de carga?
El principio de funcionamiento depende de la tecnología utilizada. Una de las soluciones más extendidas en el pesaje industrial son las células de carga extensométricas, basadas en la deformación elástica de un cuerpo metálico.
Cuando se aplica una fuerza, el cuerpo de la célula experimenta una deformación proporcional a la carga, dentro de su rango de funcionamiento. Esta deformación es detectada por galgas extensométricas, sensores cuya resistencia eléctrica cambia cuando se deforma el material.
La función de las galgas extensométricas
Las galgas extensométricas, también conocidas como strain gauges, son elementos sensibles fijados a la superficie del cuerpo metálico de la célula de carga.
Cuando el metal se deforma, las galgas experimentan una modificación geométrica que provoca una variación de su resistencia eléctrica. Aunque esta variación es muy pequeña, puede detectarse y convertirse en una señal utilizable.
El puente de Wheatstone
En las células de carga extensométricas, las galgas suelen conectarse mediante un puente de Wheatstone, un circuito eléctrico utilizado para medir pequeñas variaciones de resistencia.
Cuando la célula no está sometida a una carga, el circuito presenta una determinada condición de equilibrio. Al aplicar una fuerza, cambian los valores de resistencia y se genera una variación en la señal eléctrica de salida.
La señal se amplifica, convierte y procesa mediante la electrónica de pesaje. Después de la calibración, el sistema relaciona la señal con el valor de la carga aplicada.
Las fases de la medición
- Aplicación de la carga: una fuerza actúa sobre el elemento sensible de la célula.
- Deformación elástica: el cuerpo metálico se deforma dentro de los límites previstos en su diseño.
- Variación eléctrica: las galgas extensométricas detectan la deformación mediante un cambio de resistencia.
- Procesamiento de la señal: la electrónica convierte la señal en un valor medible.
- Visualización: el sistema proporciona un valor de fuerza o masa, según la aplicación y la calibración.
¿Qué miden las células de carga?
Desde el punto de vista físico, las células de carga miden una fuerza, expresada en newtons (N) en el Sistema Internacional de Unidades.
Sin embargo, en los sistemas de pesaje el resultado suele mostrarse como masa, expresada en kilogramos (kg) o toneladas (t). Esta conversión se realiza mediante la electrónica, de acuerdo con la calibración del sistema.
Por tanto, es importante distinguir tres magnitudes:
- Fuerza: la acción mecánica ejercida sobre el sensor.
- Masa: la cantidad de materia, normalmente expresada en kilogramos.
- Peso: la fuerza gravitatoria que actúa sobre una masa.
En el pesaje de recipientes y estructuras industriales también es necesario considerar la tara, es decir, la masa del recipiente vacío. Al restar la tara de la masa total medida, se obtiene la masa neta del material.
¿Cuáles son los diferentes tipos de células de carga?
Existen distintos tipos de células de carga, diseñados para responder a condiciones de funcionamiento específicas. Una clasificación habitual se basa en la dirección de la fuerza aplicada y en la forma en que se deforma el elemento sensible.
Células de carga de compresión
Las células de carga de compresión están diseñadas para medir fuerzas que comprimen el elemento sensible. Se utilizan frecuentemente en sistemas de pesaje de depósitos, recipientes, silos y estructuras apoyadas sobre varios puntos.
La selección debe considerar la capacidad necesaria, la distribución de la carga y las posibles fuerzas que actúan fuera de la dirección de medición prevista.
Células de carga de tracción
Las células de carga de tracción detectan fuerzas que tienden a estirar el elemento sensible. Se utilizan, por ejemplo, en aplicaciones con cargas suspendidas y en sistemas destinados a medir fuerzas de tracción.
Células de carga de flexión
Las células de carga de flexión aprovechan la deformación de una viga sometida a una fuerza. Se emplean en diferentes tipos de básculas, plataformas y sistemas de pesaje.
La geometría de la célula y sus condiciones de montaje son fundamentales para obtener mediciones fiables.
Células de carga de cizallamiento
Las células de carga de cizallamiento miden deformaciones provocadas por esfuerzos cortantes. Se utilizan en numerosas aplicaciones industriales, incluidos sistemas de pesaje que requieren capacidades relativamente elevadas.
¿Cómo elegir una célula de carga?
La elección de una célula de carga no depende únicamente del peso máximo que se desea medir. También es necesario evaluar las características de la aplicación, las condiciones de funcionamiento y los requisitos de precisión.
Entre los principales criterios de selección se encuentran:
- Capacidad nominal: la carga para la que está diseñado el sensor.
- Tipo de esfuerzo: compresión, tracción, flexión o cizallamiento.
- Número de puntos de apoyo: especialmente importante en sistemas con varias células.
- Precisión requerida: según las necesidades de medición y del proceso.
- Condiciones ambientales: temperatura, humedad, polvo y posibles sustancias corrosivas.
- Cargas dinámicas: vibraciones, impactos y cambios rápidos de las fuerzas aplicadas.
- Compatibilidad electrónica: conexión con indicadores, transmisores y sistemas de control.
El dimensionamiento también debe tener en cuenta la masa de la estructura, la distribución de las fuerzas y las posibles sobrecargas. La selección definitiva debe basarse en las especificaciones técnicas del sensor y en el diseño del sistema de pesaje.
¿Cuál es la precisión de las células de carga?
La precisión de las células de carga depende tanto de las características del sensor como de las condiciones en las que se utiliza.
Entre los parámetros técnicos más importantes se encuentran:
- Linealidad: indica cuánto se aproxima la respuesta del sensor a la relación ideal entre la fuerza aplicada y la señal producida.
- Histéresis: describe la diferencia de respuesta que puede producirse al aplicar y retirar una carga.
- Repetibilidad: indica la capacidad de proporcionar resultados coherentes cuando se aplica varias veces la misma fuerza en condiciones idénticas.
- Efectos de la temperatura: las variaciones térmicas pueden influir en la señal y en el comportamiento mecánico del sistema.
- Calibración: permite establecer la relación entre la señal detectada y el valor de la carga aplicada.
La precisión especificada para una célula individual no coincide necesariamente con la precisión del sistema de pesaje completo.
Una distribución desigual de las cargas, conexiones mecánicas rígidas, vibraciones o errores de montaje pueden afectar al resultado, incluso cuando los sensores presentan características técnicas elevadas.
¿Cómo instalar y colocar las células de carga?
La colocación de las células de carga debe definirse en función de la estructura que se desea pesar y de las fuerzas que actúan sobre sus puntos de apoyo.
En los sistemas industriales, los sensores suelen instalarse en los puntos de apoyo previstos durante el diseño, utilizando módulos de montaje compatibles con el tipo de célula y las condiciones de funcionamiento.
Durante el diseño es necesario considerar:
- la distribución del peso entre los distintos apoyos;
- la masa de la estructura vacía y la carga máxima prevista;
- las posibles fuerzas laterales y cargas accidentales;
- las tuberías y conexiones mecánicas;
- las dilataciones térmicas de la estructura;
- las vibraciones y condiciones ambientales;
- las necesidades de inspección y mantenimiento.
Una conexión rígida que no se haya considerado correctamente puede transmitir parte de la carga fuera del recorrido de medición previsto, reduciendo la fiabilidad del pesaje.
Por este motivo, la instalación debe ser diseñada y verificada por personal cualificado, siguiendo las instrucciones del fabricante de los sensores.
¿Cómo comprobar el funcionamiento de las células de carga?
Las células de carga y sus sistemas electrónicos asociados requieren controles periódicos para comprobar que mantienen unas prestaciones adecuadas.
Estas operaciones pueden incluir:
- Inspección visual: comprobación del estado del sensor, los soportes y los elementos de fijación.
- Verificación de conexiones: revisión de cables, conectores y elementos de protección.
- Comprobación del cero: verificación del comportamiento del sistema en condiciones conocidas.
- Pruebas de repetibilidad: comparación de las lecturas obtenidas al aplicar varias veces la misma carga.
- Pruebas con cargas de referencia: comparación entre el valor mostrado y un valor conocido.
Es importante distinguir entre la comprobación de un sensor individual y la verificación del sistema de pesaje completo. Los errores de medición también pueden proceder de la electrónica, las conexiones mecánicas o las condiciones de funcionamiento.
Las operaciones de calibración y mantenimiento deben realizarse siguiendo los procedimientos correspondientes y por personal competente.
¿Cómo funcionan las células de carga para silos?
En los sistemas de pesaje para silos, las células de carga detectan las fuerzas transmitidas a través de los puntos de apoyo de la estructura. La electrónica procesa las señales y, después de restar la tara, permite determinar la masa del material almacenado.
La precisión de la medición también depende de la distribución de las cargas, las conexiones mecánicas y las condiciones de instalación.
Para profundizar en las aplicaciones de estos sensores en el control de las cantidades almacenadas y los procesos industriales, consulta el artículo ¿Para qué sirven las células de carga?.
Células de carga para tolvas: pesaje y dosificación
En las tolvas industriales, las células de carga permiten medir la masa del material contenido y sus variaciones durante las operaciones de carga y descarga.
Estos datos pueden utilizarse en sistemas de dosificación gravimétrica, incluso mediante la medición de la pérdida de peso durante la extracción.
Las tolvas en línea Poggi pueden incorporar sistemas electrónicos de pesaje y dosificación con células de carga y cinta extractora, según la configuración requerida.
Para conocer sus características y aplicaciones, consulta el artículo ¿Para qué sirve una tolva? Tipos y usos industriales.
¿Cuál es la diferencia entre dosificación volumétrica y gravimétrica?
La dosificación de materiales puede realizarse mediante diferentes principios de medición. Dos de los métodos más habituales son la dosificación volumétrica y la dosificación gravimétrica.
Dosificación volumétrica
La dosificación volumétrica controla la cantidad de material en función del volumen suministrado o de parámetros operativos relacionados con el caudal, como el tiempo de funcionamiento de un dispositivo de extracción.
Este método suele utilizarse cuando el material presenta características relativamente constantes y el proceso no requiere una medición directa de la masa suministrada.
Dosificación gravimétrica
La dosificación gravimétrica utiliza la masa medida para controlar la cantidad de material suministrado.
En los sistemas de dosificación por pérdida de peso, la cantidad de material se determina midiendo la disminución de la masa del recipiente durante la extracción.
Este principio permite controlar la cantidad efectivamente extraída, incluso cuando varía la densidad aparente del material.
La elección entre ambos métodos depende de las características del producto, la precisión requerida y las necesidades del proceso.
Células de carga y sistemas de pesaje industrial
Las células de carga constituyen una tecnología fundamental para la medición de fuerzas y el desarrollo de sistemas de pesaje industrial.
La selección del tipo de sensor, el dimensionamiento correcto, la calibración y las condiciones de instalación son aspectos determinantes para obtener mediciones fiables.
Poggi diseña y fabrica productos para el almacenamiento y la manipulación de materiales a granel, que pueden configurarse con sistemas de pesaje y dosificación en función de las necesidades operativas.
Entre las soluciones disponibles se encuentran las tolvas primarias y las tolvas en línea, que pueden incorporar células de carga y sistemas de control de cantidades, según la configuración.
Para obtener más información sobre las configuraciones disponibles y las posibilidades de integración, contacta con Poggi.
Preguntas frecuentes sobre las células de carga
¿Las células de carga miden peso o masa?
Las células de carga detectan una fuerza. En los sistemas de pesaje, la electrónica procesa la señal para determinar y mostrar un valor de masa después de una calibración adecuada.
¿Cuáles son los tipos de células de carga más utilizados?
Entre las soluciones habituales de pesaje industrial se encuentran las células extensométricas de compresión, tracción, flexión y cizallamiento. La elección depende de la geometría de la estructura, la dirección de la fuerza aplicada y la capacidad necesaria.
¿Cómo se determina la capacidad de una célula de carga?
La capacidad nominal debe seleccionarse considerando la carga máxima prevista, la masa de la estructura, la distribución de las fuerzas, el número de apoyos y las posibles sobrecargas. Un dimensionamiento correcto requiere una evaluación técnica del sistema completo.
¿Cuántas células de carga se necesitan para un silo?
El número depende de la configuración estructural y de los puntos de apoyo del silo. No existe una cantidad universal: los sensores y sus módulos de montaje deben definirse durante la fase de diseño.
¿Se pueden utilizar células de carga para dosificar polvos?
Sí. Cuando se integran con sistemas de extracción y control, las células de carga pueden permitir la dosificación gravimétrica de polvos y otros materiales a granel mediante la medición de las cantidades extraídas.
¿Qué factores pueden afectar a la precisión de una célula de carga?
Entre los principales factores se encuentran la temperatura, las vibraciones, las cargas laterales, una distribución incorrecta de las fuerzas, las conexiones mecánicas inadecuadas y los problemas de calibración.
