08 abril 2010

Rendimiento y aplicaciones de la tecnología de células de carga

Revisamos brevemente en este artículo las principales características relativas al rendimiento y aplicación de las células de carga cuya salida es una señal digital en un formato digital en oposición a las señales análogicas convencionales. El rendimiento de células de carga digitales se comparan con células de carga analógicas convencionales, particularmente en el contexto de aplicaciones de pesaje de procesos industriales.
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La incorporación de la tecnología digital dentro de una célula de carga puede conferir beneficios tanto al usuario como al fabricante. .
La mayoría de las células de carga que se venden como células de carga digitales son medidores de tensión basadas en células analógicas con electrónica integrada para convertir la salida analógica en una señal de salida digital. Las células de carga se presuponen del tipo de medición de tensión y la electrónica de acondicionamiento de señales se asume se contiene dentro de la envolvente de la carcasa de un transductor. La electrónica de acondicionamiento de señales puede tener una configuración mínima tal como un convertidor analógico a digital para convertir una señal analógica en un formato digital para retransmisión. Pueden incorporarse dispositivos electrónicos para almacenar varias características del rendimiento de la célula de carga y optimizar éstos por el uso de algoritmos de software.
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CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO
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A continuación exponemos varios factores que pueden influir en la elección entre una célula de carga para una aplicación de pesado de procesos particular.
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A) Calibración
Los fabricantes enfatizan que sus células de carga están precalibradas en origen, ya que la calibración en laboratorio es práctica común tanto en células analógicas como digitales.
Cuando una célula de carga se usa como componente en u sistema de pesaje de un proceso industrial hay varios factores que pueden afectar la relación entre la fuerza ejercida por el material que se está pesando y la fuerza que se está aplicando a la célula de carga. Estos factores incluyen asuntos como instalación en la alineación de las células de carga y fuerzas de tuberías. Por este motivo la información de calibración del fabricante sólo es aceptable en aplicaciones donde la verificación del rendimiento no es un factor crítico o no es práctico.
B) Racionalización
Es una práctica de carga ajustar la salida de una célula de carga analógica expresada en mV (señal de salida)/V (voltaje de excitación) y su resistencia de salida a valores nominales dentro de una banda de tolerancia. Esto es importante para aplicaciones donde estas células de carga se instalan en una aplicación de células de carga y sus salidas están conectadas en paralelo en una caja de conexiones. Se trata de una operación costosa y consumidora en tiempo especialmente en el caso de células de carga de alta capacidad.
Las células de carga digitales tienen salidas de señales acopladas utilizando el software programado en su electrónica y el término racionalización no se aplica.
C) Distribución de carga
En muchos sistemas de pesaje utilizando más de una célula de carga para soportar el elemento que recibe la carga entre las células de carga individuales puede variar considerablemente. En tales aplicaciones la contribución relativa de cada célula de carga a la salida total es claramente importante.
Cuando se utilicen células de carga analógicas, que no se acoplan suficientemente bien durante la fabricación hay necesidad de introducir y ajustar el ensayo - compensando la circuitería localizada en la caja de unión de la célula. Este procedimiento puede ser consumidor en tiempo, técnicamente difícil y costoso. Esto sin embargo no es relevante para las células de carga digitales y la no racionalización puede ser un ahorro de costes para el fabricante.
RENDIMIENTO DE LA CÉLULA DE CARGA Revisamos en este apartado cómo los parámetros que describen el rendimiento de las células de carga pueden ser modificados por el uso de técnicas digitales. a) No-linealidad
Las células de carga tienen la capacidad de permitir que las señalse de los medidores de tensión sean linealizadas antes de ser presentadas como resultado final. Esto es una ventaja para el fabricante ya que el rendimiento del diseño del transductor básico puede asumir una menor importancia.
b) Histéresis
La tensión de las células de carga exhibe un valor de salida del que depende si la carga aplicada se incrementa o decrece.
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c) Creep
La salida de una célula de carga siguiendo un cambio en la carga aplicada tiene un elemento dependiente del tiempo llamado creep.
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d) Compensación de temperatura
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La configuración de puentes de medidores de tensión en una célula de carga proporciona compensación de temperatura automática sustancial para los cambios de resistencia que ocurren en medidores individuales. Sin embargo la salida final de una célula de carga de un medidor de tensión es dependiente de la temperatura debido a cambios en la elasticidad del elemento de medición y otros factores. Una célula analógica utiliza componentes adicionales dentro del transductor para compensar estas variaciones.
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d) Resolución y repetibilidad
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La discriminación de la célula de carga es el cambio de carga más pequeño que puede detectarse y puede ser un intervalo muy pequeño. La repetibilidad de una célula de carga es una medida del acuerdo entre las salidas resultantes de varias aplicaciones de carga repetidas.
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e) Fiabilidad
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No hay evidencias que sugieran una diferencia en la fiabilidad entre células de carga analógicas y digitales y se considera que cualquier diferencia es improbable que sea significativa.
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f) Diagnósticos
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Las células de carga analógicas no tienen capacidad de diagnóstico integral.
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g) Tiempo de muestreo
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La célula de carga digital presenta su salida como secuencia de datos discreta, típicamente 10-40 por segundo. Esto inherentemente lleva a problemas con el tiempo, que queda afectado por el número de transductores en una misma línea de transmisión así como la velocidad y complejidad de los datos que se están transmitiendo. Estos factores deben evaluarse especialmente en aplicaciones que implican procesos rápidos.
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RENDIMIENTO DEL SISTEMA En este apartado vemos los factores que deben evaluarse para revisar el sistema de pesaje completo. a) Error combinado del sistema
Hay una figura agregada relativa a la precisión de las medidas que incluyen no-linealidad, histéresis y repetibilidad. Si bien las características del error de las células de carga suponen una contribución importante al error, para muchos el error combinado es aún más iportante. Desde este punto de vista hay poco de elegir entre células de carga analógicas desde el punto de vista de rendimiento.
. b) Errror de temperatura de del sistema . El error inducido por la temperatura está presente en aplicaciones de proceso y tiene muy diferentes causas, la mayoría de las veces dominada por factores mecánicos e indirectos. c) Error de distribución de carga
Las aplicaciones implicando distribuciones de carga no uniformes entre varias células de carga soportando el elemento receptor de carga son muy comunes.
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Los sistemas que usan células de carga analógicas pueden transmitir alto rendimiento en tales circunstancias pero los transductores individuales deben estar acoplados durante la fabricación. Los costes de producción usualmente dictan la tolerancia de este procedimiento de acoplamiento e incluso la mejor célula de carga tiene que acoplar algunos parámetros.
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d) Error de vibración inducida . La vibración presente en ambientes industriales también puede dificultar las observaciones de pesaje. Hay capacidad para incluir dentro de la circuitería de procesos de una célula de carga digital, algoritmos de filtrado avanzados ue pueden reducir significativamente los efectos de la vibración. Sin embargo, las mismas técnicas pueden emplearse por un transmisor de pesaje conectado a dispositivos analógicos convencionales, así que se considera una característica neutral.
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e) Error de sincronización
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Un sistema de pesaje incorporando más de una célula sometido a cualquier forma de carga dinámica hace surgir cuestiones sobre cómo las señales de las células individuales se combinan.
En un sistema analógico las células se suman eléctricamente y la salida disponible es la combinación instantánea. Si la distribución de carga cambia en el tiempo no habrá un cambio en la carga total.
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En un sistema digital hay potencial de sumar cargas individuales aunque haya retraso temporal. Esta necesidad de sincronización se considera en el procesador de suma digital final.
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f) Diagnósticos
. Las células de carga analógicas en un sistema de pesaje de células de carga mútiples se conectan en paralelo. La salida de señales combinadas resultante son el promedio áritmético de la salida de estas células de carga. El fallo de una célula de carga en tal sistema no puede ser detectada. En células de carga digitales, pueden incorporarse sistemas de diagnóstico adicionales integrados en el sistema. Bibliografía:
  • Digital Load Cells. A comparative Review of Performance and Application. Institute of measurement of control.
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