Células de carga y galgas extensométricas: cómo se mide una fuerza

De la fuerza a la deformación

Una célula de carga es una pieza de acero, acero inoxidable o aluminio con una forma estudiada para que, bajo carga, se deforme poco pero de forma muy repetible en unas zonas concretas. A plena carga, esas zonas se estiran o se acortan del orden de 1.000 µm/m (micras por metro, a menudo llamadas microdeformaciones): un 0,1 %, muy por debajo del límite elástico del material. Sobre ellas se pegan las galgas.

La galga extensométrica

Una galga extensométrica es una rejilla de hilo o lámina metálica, normalmente de una aleación cobre-níquel, sobre un soporte de poliimida. Al estirarse, sus conductores se alargan y estrechan y su resistencia sube; al comprimirse, baja. La relación es ΔR/R = K · ε, donde ε es la deformación y K el factor de galga, que en las galgas metálicas ronda 2.

El cambio es diminuto: una galga de 350 Ω a 1.000 µm/m varía unos 0,7 Ω, un 0,2 %. Medirlo con un óhmetro sería inútil; el truco está en cómo se conectan.

El puente de Wheatstone completo

Las células se construyen con cuatro galgas en puente de Wheatstone: dos en zonas que se estiran y dos en zonas que se comprimen, colocadas en brazos alternos. Se alimenta el puente con una tensión de excitación (Vexc) y se mide la diferencia entre sus dos puntos medios. En reposo está equilibrado y la salida es casi cero; con carga, las cuatro galgas suman su efecto y la salida queda Vo/Vexc ≈ K · ε.

Por eso la sensibilidad de una célula se da en mV/V: milivoltios de salida a plena carga por cada voltio de excitación, habitualmente entre 1 y 3 mV/V, con 2 mV/V como valor muy común. Con 10 V de excitación, una célula de 2 mV/V entrega 20 mV a plena carga. El puente completo tiene además una ventaja clave: un cambio de temperatura que afecta por igual a las cuatro galgas se anula.

Tipos de célula

• Flexión: vigas en voladizo o binoculares; cargas pequeñas y medias, básculas de plataforma de punto único.
• Cortadura: vigas que miden la deformación por cortante en el alma; poco sensibles al punto de aplicación, muy usadas en pesaje industrial y depósitos.
• Compresión: columnas o discos para cargas grandes, de decenas de toneladas en adelante.
• Tracción en S: con rosca en ambos extremos, trabajan a tracción y compresión; ideales colgadas en línea con la carga.
• Botón o miniatura: para espacios muy reducidos, a compresión y con cargas bien centradas.

Errores que hay que conocer

• Temperatura: desplaza el cero y cambia la sensibilidad; el fabricante lo compensa en la propia célula, pero queda un residuo que se especifica en % por cada 10 °C.
• Fluencia (creep): con carga mantenida, la lectura deriva lentamente. Importa en pesajes largos y en ensayos de fatiga.
• Carga excéntrica y fuerzas laterales: la célula está calibrada para una dirección; momentos, cargas laterales o apoyos torcidos falsean la medida y pueden dañarla. Rótulas, apoyos autoalineables y una base rígida y plana valen más que una célula cara.
• No linealidad, histéresis y sobrecarga: se especifican en % del fondo de escala; la sobrecarga admisible suele estar en el 150 % y la de rotura bastante más arriba.

Acondicionamiento y clases

La señal se trata con un amplificador de instrumentación o, cada vez más, con un convertidor analógico-digital sigma-delta de 24 bits con ganancia programable. La excitación debe ser estable, o mejor aún, la medida ratiométrica: el convertidor usa la propia excitación como referencia y sus variaciones se cancelan. Con cables largos se usa conexión a seis hilos, con dos de detección que miden la excitación real en la célula. La calibración final se hace con pesos o con una célula patrón.

En pesaje para uso comercial, la recomendación OIML R 60-1:2021 clasifica las células en clases A, B, C y D según el número máximo de divisiones de verificación: la clase C admite de 500 a 10.000, y una célula C3 está aprobada para 3.000. Con 20 mV de fondo de escala, cada una de esas 3.000 divisiones son unos 6,7 µV, lo que da idea del cuidado que exige la electrónica.

Dónde las usamos

En útiles y bancos de ensayo, las células miden reacciones en apoyos, fuerzas de inserción, tiros de cables o cargas de prueba. En pesaje, tres o cuatro células bajo los apoyos de un equipo dan su masa y, combinando las lecturas con la posición de cada apoyo, la posición del centro de gravedad en planta, un dato clave para diseñar un izado seguro o un útil MGSE.