UNIVERSIDAD DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

CURSO : TECNOLOGÍA ELÉCTRICA I

TÍTULO : Construcción de una Balanza Electrónica

INTEGRANTES :

Cardoza Zevallos, Dante Raúl

Ibáñez Otero, Mario

Jimenez Temoche, Ronald

Salazar Gómez, Javier

PROFESOR :

Ing. Jairo Reyes.

Tecnología Eléctrica I

CONTENIDO

Resumen………………………………………………………………………………………. 03

I. Introducción

1. Definición………………… …………………………………………………………… 04

2. Aplicaciones……....………………………………………………………………….. 04

3. Elementos………………………………………………………………………… 07

II. Descripción del Módulo

Galgas Extensiométricas

1. Principio de funcionamiento……………………………………………..

2. Galgas Metálicas…………………………………………………………..

3. Circuitos de Medida………………………………………………………..

4. Celdas de carga………………………………………………………..

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III. Descripción Detallada de Funcionamiento

Celda de carga………………………………………………………………………. 15

IV. Conclusiones………………………………………………………………………. 18

V. Bibliografía.………………………………………………………………………. 19

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RESUMEN

Probablemente del habito del ser humano de sostener con las manos dos objetos para

comparar su peso, se tomo la idea para construir las primeras balanzas, que consistían

en una palanca apoyada en su centro, con dos brazos iguales, de los cuales colgaban

platos para colocar los pesos a medir. De ahí viene la palabra balanza, cuya raíz esta

en el latln bisplax, bis que significa dos y plax, plato, su traducción serla doble plato.

Desde entonces las balanzas han evolucionado desde sencillos artefactos

mecánicos hasta las actuales balanzas electrónicas, diseñadas para brindar un sin

número de facilidades al usuario según su necesidad.

La mayoría de las balanzas electrónicas de la actualidad funcionan en base a un sensor

llamada celda de carga que envía una señal a un sistema indicador electrónico de lectura.

Básicamente, es un trozo de metal de muy buena calidad al que se le practica una incisión o

perforación para debilitar un punto determinado de su estructura. En este punto se adhieren

unos pequeños circuitos de resistencias eléctricas que sufrirán la deformación física o

geométrica de su hilo conductor, con la carga (el peso colocado sobre el plato) aplicada.

Aplicando la ley de Ohm, este conductor transmitirá una señal proporcional a la deformación si

al circuito se le aplica un voltaje de excitación. La señal "deformada" que se emite es

procesada por un indicador electrónico, ya sea análogo o digital, lo que permite obtener una

lectura que interpretamos como peso.

Para efectos del curso sólo nos limitaremos a tratar el sensor de las balanzas electrónicas y

todo lo relacionado a ella.

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Tecnología Eléctrica I

I. INTRODUCCIÓN

1. DEFINICIÓN

Las balanzas electrónicas actuales llegan a ser sofisticados elementos de pesaje con el

software y hardware necesarios para la obtención y procesamiento de datos durante la

operación de pesado. Utilizan diferentes métodos para sensar el peso, de manera que se

obtenga una señal electrónica que pueda ser tratada para la visualización de la medición.

La balanza electrónica se usa ampliamente, debido a la calidad de resolución y

visualización de valores, superiores a los de la balanza mecánica. Se tiene además

un sin número de prestaciones especificas y capacidad de medición, para facilitar el uso

en aplicaciones dedicadas.

2. APLICACIONES

Balanzas para Laboratorio:

Generalmente son las que requieren mediciones mas precisas. Logran medir pesos

de sustancias equivalentes a una millonésima de gramo que es lo mismo que decir una

milésima de miligramo, o sea, 0.000001 gramo. Estos mecanismos requieren ciertas

características particulares como por ejemplo, estar cerrados en una especie de caja

de plástico o vidrio porque el aire ambiental y su movimiento pueden alterar la lectura

deseada. El mecanismo sensor es en la mayoría de las veces por compensación

electromagnética aunque es posible la utilización de galgas.

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Balanzas de Sobremesa:

Utilizan galgas extensiométricas. Tienen una capacidad hasta 60 Kg. Entre las

características que puede tener son el encerado y la tara.

Balanza de Sobresuelo:

Como su nombre lo indica están diseñas para trabajar en el suelo, ya que no resulta

practico ni cómodo elevar los pesos que manejan hasta el nivel de una mesa. Su

aplicación puede ser en la preparación de lotes en el proceso industrial. Usan una o

varias celdas de carga según la capacidad.

Balanzas para Conteo de Piezas:

Es una aplicación muy útil en la industria y pueden ser parte de la cadena de producción,

razón por la cual requieren de una alta precisión. Utilizan galgas extensiométricas como

sensor de peso.

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Balanza de Grúa:

Estas balanzas llegan a pesar toneladas por esta razón se utiliza como una grúa.

Balanza Camionera:

Son utilizadas en la industria para el pesaje de camiones que ingresan con materia prima

para la producción. Suelen disponer de varias celdas de cargas para el pesaje.

.

Balanzas de Supermercados:

Son una de las aplicaciones más utilizadas pueden tener funciones como mostrar el

peso, impresión de etiquetas y comunicaciones en red.

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3. ELEMENTOS

Sea cual fuere el mecanismo sensor de peso en una balanza electrónica, la

característica básica es que entrega una señal de voltaje o frecuencia que debe ser

acondicionada y procesada para su posterior visualización.

Los elementos de una balanza estarán orientados a soportar el peso para el que fue

diseñado el equipo y a proporcionar el rango de medición requerido en la

aplicación. Como elementos se tiene:

Bandeja de Pesaje. Esta tiene un tamaño apropiado para el peso a medir, de

manera que éste no sobresalga demasiado de los límites de la bandeja.

Sensor de Peso. Apropiado para trabajar en todo el rango de la aplicación,

generalmente es una celda de carga, pero son posibles también los métodos

ópticos, electromagnéticos, etc.

Acondicionador de la señal. Un sensor entrega una señal muy pequeña para

ser procesada, por lo que debe llevarse a valores estándar de voltaje (O-5V

generalmente) o tener un rango detectable por un microprocesador.

Microprocesador. En su mayoría las balanzas electrónicas tienen un

microprocesador, que pueden ir de los más sencillos a los más complejos

según la aplicación.

Elementos de Visualización. Estos pueden ser desde sencillos displays, hasta

pantallas LCD o LCD graficas.

Otros. Según las necesidades del usuario las balanzas incorporan elementos

como la impresión de tickets, comunicación en red entre otros.

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II. DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO

Las Galgas Extensiométricas

Son transductores (Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica. )pasivos que aplicados sobre un elemento flexible (celda de carga), miden la presión o el esfuerzo a partir de la deformación producida por fuerzas de compresión, tracción o flexión. La deformación provoca variación de la longitud y el diámetro de la galga, y por tanto, de la resistencia eléctrica.

Una galga extensométrica es un sensor basado en el efecto piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la

galga producirá una variación en su resistencia eléctrica.

Efecto piezorresistivo

De Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegación, búsqueda

La piezorresistividad es la propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia cambia cuando se los somete a un esfuerzo mecánico (tracción o compresión) que los deforma.

Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores)

La resistencia de los materiales piezorresistivos depende de la temperatura (especialmente en el caso de los semiconductores).

Un puente de Wheatstone. es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie

en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias

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desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro

resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

1. Principio de funcionamiento

Ventajas [editar]

Pequeño tamaño Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna Tienen una excelente respuesta en frecuencia Pueden utilizarse para medidas estáticas y dinámicas Compensación de temperatura relativamente fácil No son influidas por los campos magnéticos

La galga está constituida básicamente por una base delgada no conductora, sobre la cual

va adherido un hilo metálico muy fino. Suponiendo que este hilo es de un metal

homogéneo de longitud L y sección transversal A, la resistencia puede ser expresada

como:

La ecuación indica que para lograr mayores cambios en el incremento de la resistencia, es

conveniente incrementar el valor de la resistencia sin incrementar la sección, es decir tener

mayores longitudes de hilo (disposición en zig-zag) y de pequeña sección.

Teniendo en cuenta el efecto Poisson (la tendencia en un material elástico a contraerse

lateralmente en respuesta a un estrechamiento axial), se concluyo que la resistencia de la

galga varía con la deformación debida al esfuerzo aplicado en la celda de carga. La

dirección de deformación que provoca el aumento de resistencia, se denomina largo activo.

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Características de los materiales de las galgas

Material FG

Platino (Pt 100%) 6.1

Platino - Iridio (Pt 95%, Ir 5%) 5.1

Platino - Tungsteno (Pt 92%, W 8%) 4.0

Isoelastic (Fe 55.5%, Ni 36% Cr 8%, Mn 0.5%) *

3.6

Constantan I Advance I Copel (Ni 45%, Cu 55%) *

2.1

Nichrome V (Ni 80%, Cr 20%) * 2.1

Karma (Ni 74%, Cr 20%, Al 3%, Fe 3%) * 2.0

Armour D (Fe 70%, Cr 20%, Al 10%) * 2.0

Monel (Ni 67%, Cu 33%) * 1.9

Manganin (Cu 84%, Mn 12%, Ni 4%) * 0.47

Niquel (Ni 100%) -12.1* Isoelastic, Constantan, Nichrome, Karma, Armour, Monel, Manganin son

Para algunas aleaciones especiales y carbón, el FG (Factor de Galga) puede llegar hasta

10. Es mejor un alto FG, por indicar un mayor cambio de resistencia y facilitar la medición.

Los materiales más comunes usados en galgas se enlistan en la tabla anterior. Aunque el

platino y el níquel no se utilizan en forma pura, se incluyen para su comparación.

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2. Galgas Metálicas

Para su fabricación se usan aleaciones constatan, karma, isoelestic y aleaciones de

platino.

Configuración de una galga metálica

Construcción de una galga de hilo metálico

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3. Circuitos de Medida

El circuito típico de medida para de los cambios de resistencia de una galga es el puente

de Wheatstone, ya que es muy sensible a los pequeños cambios de resistencia. Según la

medición sea por tracción (estiramiento) o compresión, se escoge el colocar una o varias

galgas en el cuerpo de la celda, depende también de la compensación de los efectos de

temperatura.

3.1.Circuito de Cuarto de Puente

Es el puente de medida más sencillo, está conformado por una sola galga activa

trabajando a tracción. El análisis del circuito se lleva a cabo asumiendo que todas las

resistencias son iguales cuando no hay deformación extensiométrica.

Circuito de cuarto puente

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La tensión de salida del puente es muy pequeña y debe amplificarse. Las galgas son

bastante sensibles a la temperatura (hasta 50 μå/ºC), por lo que se suelen compensar

mediante una galga pasiva conectada en la misma rama que la activa y físicamente

próxima a ella, de forma que se encuentre a su misma temperatura, pero no sometida a

esfuerzos.

3.2.Circuito de Puente Completo

Este circuito tiene cuatro veces la sensibilidad del circuito de cuarto de puente, ya que

integra cuatro galgas activas, dos en compresión y dos en tracción, con lo que además se

compensa los efectos de la temperatura.

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El circuito de la galga se adhiere a una celda de carga y mediante la deformación que el

peso realiza sobre la celda, la galga varía la resistencia.

4. Celda de Carga

Básicamente es un trozo de metal (aluminio o acero) de muy buena calidad al que se le

practica una incisión o perforación para debilitar un punto determinado de su estructura. En

este punto se adhieren el circuito de la galga que sufrirá la deformación física o

geométrica, al aplicar el peso. Esto produce un cambio de resistencia en la galga que se

mide en un circuito puente de Wheatstone.

Tanto por límites de la galga como por límites de la celda, ésta tiene una zona lineal de

funcionamiento, como se detalla en la figura:

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Para el diseño de un sistema de pesaje, se procura tener un límite algo inferior al lineal y

además se pone protecciones mecánicas para asegurar que la celda no tenga un daño

permanente a causa de sobrecargas accidentales.

Este tipo de sensor encuentra su limitación en sistemas de pesaje de alta resolución, una

de las razones es la sensibilidad a la humedad del adhesivo entre la galga y el cuerpo de la

celda. La baja señal de salida también puede ocasionar problemas debido al ruido.

En oposición, una de las ventajas es el diseño compacto del sensor y su fácil adaptabilidad

a varias capacidades de carga.

III. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE FUNCIONAMIENTO

La balanza está compuesta por elementos que permiten la detección y visualización del peso.

El diseño del equipo puede resumirse en el diagrama de bloques de la figura.

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El sensor de peso de la balanza es la celda de carga, una de las más económicas, tener

diseño compacto, buena linealidad y ser de simple colocación en la estructura.

Esquemáticamente se tiene:

La señal de la galga en la celda se acondiciona con un amplificador de instrumentación y

posteriormente se digitaliza en el micro controlador.

Celda de carga

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Peso Celda de CargaAcondicionador

de Señal LCD

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La celda de carga, como sensor de peso, constituye la parte fundamental de la balanza. Se

escogió una celda tipo single point o punto único, en la cual la presión se ejerce sobre un

punto específico de su estructura, característica que debe considerarse para la fijación de

la celda en la carcasa de la balanza y para la colocación de la bandeja de pesaje.

Especificaciones Técnicas de la Celda de Carga

Parámetro Unidad ValorCapacidad kg 40Sensitividad mV/V 2Tamaño Máximo de la plataforma cm 35 x 35Límite de Carga % Cap. 150Límite de Ruptura % Cap. 300Excitación Nominal V 10Excitación Máxima V 15Impedancia de Entrada Ohm 415 + 15Impedancia de Salida Ohm 350 + 3Tipo de Circuito de Compensación Puente BalanceadoLargo del Cable metros 0.5

Códico de Color+excitación = verde, +señal = rojo

-excitación = negro, -señal = blancoConstrucción Aluminio

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Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:

La capacidad es el peso máximo al que se puede someter a la celda e incluye el peso

muerto, el peso neto máximo y la tolerancia.

Capacidad = Peso Muerto + Peso Neto Max.+ Tolerancia

La plataforma de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.

La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada voltio de

excitación, cuando está sometida al peso máximo. La alimentación de 5 voltios está en el

rango dado por el fabricante y puede usarse para la energización del resto de los circuitos

de la balanza.

Señal Max.= Sensitividad ×Voltaje Excitación

El tamaño máximo de la plataforma se especifica en 35x35mm, este no debe sobrepasarse

ya que puede desequilibrar la medición dando resultados erróneos y dañando al sensor.

Los límites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de la celda misma, y para

este caso indican los siguientes valores:

El circuito de compensación es un puente balanceado, esto implica que se tiene dos

galgas, una en operación como sensor y otra para compensación de temperatura que no

aporta a la medición. Estas dos galgas se localizan en un cuarto puente de Wheastone en

la celda, al cual se accede mediante cuatro cables codificados por colores. Los cables

verde y negro se conectan a la excitación del puente y en los cables rojo y blanco se tiene

las señales de medición positiva y negativa respectivamente.

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Ubicación de las Galgas en la Celda de Carga

Para no distorsionar la señal de la galga, no se debe exceder en el largo del cable que

conduce la señal del puente al circuito de acondicionamiento. Según las recomendaciones

del fabricante, es 0.5 m máximo.

De acuerdo con estas consideraciones, la celda se encuentra fijada en el centro de la

estructura de la balanza. En el punto de presión está el soporte de la bandeja. Una

característica especial de éste es la forma de “X” (figura 2.6), capaz de aportar con la misma

cantidad de presión que un clásico soporte rectangular pero con un notorio ahorro en material.

Vista Superior del Soporte de la Bandeja

Sobre las cuatro esquinas del soporte, se apoya la bandeja de pesado. Con esta configuración

se obtiene una distribución uniforme de la presión ejercida por el peso.

IV. CONCLUSIONES

Los fundamentos aprendidos en clase nos proporcionan conocimientos básicos sobre los

artefactos eléctricos, como en este caso aplicando la ley de Ohm, el conductor transmitirá

una señal proporcional a la deformación de la celda de carga si al circuito se le aplica un

voltaje de excitación.

La celda de carga es la parte fundamental de una balanza ya que determina el rango de

pesado y la precisión. Este sensor es uno de los más sencillos en cuanto a principio de

funcionamiento y colocación en el equipo, por esta razón actualmente casi todas las

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Tecnología Eléctrica I

balanzas electrónicas utilizan una celda de carga a excepción de las balanzas de

aplicaciones que requieren muy alta precisión como las de laboratorio.

Una de las debilidades de la Celda de Carga es la sensibilidad al ruido, esto puede

mejorarse con la tecnología de construcción, pero sacrificando el precio del sensor, a

mayor inmunidad al ruido, mayor es el precio.

V. BIBLIOGRAFÍA

Enciclopedia Libre Wikipedia

<http://www.wikipedia.org >

Comunidad de Electrónicos

<http://www.comunidaddeelectronicos.com>

Yo Reparo (Comunidad de reparadores)

<http://www.yoreparo.com>

Couglin

<Robert, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. 5ª Edición.

Prentice Hall. México. 1997>

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