Cómo funcionan las básculas digitales

Hay algo tan común en un dispositivo de pesaje que es fácil olvidar su significado más profundo. Como nos recuerda la báscula de resorte ligeramente sesgada que cuelga alrededor del pasillo de productos, la báscula ha servido durante mucho tiempo a los humanos como el árbitro principal del comercio, la condición sine qua non del envío y el jugador de servicios públicos del banco farmacéutico. Desde la balanza de laboratorio más pequeña y afinada hasta los monstruos de foso y viga de 3 x 37 metros (10 x 120 pies) que pesan vagones de tren y camiones con remolque, las balanzas hacen posible la vida moderna.

Las balanzas, o más específicamente, las balanzas, pesaban mucho en la mente de los antiguos constructores, inventores y asesores económicos. Los pequeños pesos de equilibrio que datan de principios del cuarto milenio antes de Cristo proporcionan algunos de los primeros indicios de la evolución de la comprensión de los números por parte de la humanidad. La balanza sobreviviente más básica en Egipto es anterior al período dinástico, ubicando su construcción antes del 3000 a. C. Al igual que nosotros, los antiguos egipcios aplicaron escalas tanto en el comercio como en el ensayo de minerales y aleaciones [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Petruso ].

Las balanzas, que pesan un objeto comparándolo con uno o más pesos de referencia, tienen un tacto delicado y aún se utilizan en los laboratorios. Las básculas utilizan principios físicos y componentes mecánicos algo diferentes para medir el peso y otras fuerzas (el peso es simplemente la fuerza sobre un objeto debido a la gravedad). Las básculas de resorte, por ejemplo, miden el peso utilizando la ley de Hooke , que relaciona la fuerza (peso) con el estiramiento o la compresión de un resorte hecho de un material determinado.

No todas las básculas usan resortes, pero todas miden el peso usando componentes mecánicos. Por lo tanto, las básculas mecánicas y digitales difieren solo en la forma en que muestran el peso, mecánica o electrónicamente. En el último caso, la báscula emplea un convertidor de analógico a digital que traduce los datos de lectura continuos de la báscula en información digital discreta, de la misma manera que un esquema de codificación de CD o MP3 digitaliza las formas de onda de la música.

En términos generales, las básculas digitales requieren menos experiencia para usar que aquellas con lecturas mecánicas y son capaces de una mayor precisión y un procesamiento más rápido. Aún así, las capacidades de dispositivos específicos pueden variar, particularmente cuando los pesos se miden en toneladas [fuentes: Camarda ; cox ; Crowley ].

"Depende", dice Derrick Mashaney, director de desarrollo de productos de Fairbanks Scales Inc., que se especializa en grandes escalas industriales. "Varias escalas maestras son mecánicas. Están ajustadas para ser tan extremadamente precisas que no hay nada que se compare con ellas".

Así como un gato de carretera puede levantar un automóvil a través de una ventaja mecánica (el apalancamiento de una manija o el plano inclinado de un tornillo), mientras que el montacargas de un mecánico puede usar presión hidráulica, las diferentes básculas pesan objetos usando una variedad de principios operativos, como la hidráulica. , neumática o vigas de flexión.

Independientemente de lo que las haga estirarse, comprimirse o balancearse, sin embargo, la mayoría de las básculas modernas comparten un componente en común: una celda de carga.

1. Gire y enfrente la tensión (Ga-ga-gauges)
2. Vas a cargar ese peso
3. Economías de Escala(s)

Las básculas vienen en todas las formas, tamaños y configuraciones, pero el componente básico que realiza la medición es casi siempre una celda de carga .

Una celda de carga es una especie de transductor , un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. A través de celdas de carga, las básculas digitales transforman la energía mecánica (el aplastamiento o estiramiento causado por una carga sentada o suspendida) en un efecto eléctrico. El medidor de tensión ampliamente utilizado (también lo verá como medidor de tensión), por ejemplo, lee la compresión o la tensión como pequeños cambios en la resistencia eléctrica en un puente de Wheatstone [fuentes: Mashaney ; Omega ].

Analicemos eso usando un medidor de tensión de compresión como ejemplo.

La compresión ocurre cuando una fuerza aplicada reduce el volumen de un objeto, pero también puede referirse a una disminución más general del tamaño a lo largo de una o más dimensiones. Da la casualidad de que aplastar un material eléctricamente conductor cambia su resistencia eléctrica, porque los cables más largos y estrechos son más resistentes que los más cortos y anchos [fuente: Craig ]. Piense en ello como el agua empujando a través de una tubería: cuanto más larga y estrecha sea la tubería, más difícil será forzar el agua a través de ella.

Varios materiales experimentan diferentes cambios de resistencia bajo deformación, una cualidad conocida como factor de calibre . El factor de calibre también puede alterarse en respuesta a la temperatura. En consecuencia, la aleación de constantan (55 por ciento de cobre y 45 por ciento de níquel), que funciona bien a temperatura ambiente, se ha establecido como el material de referencia para las mediciones de deformación [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; craig ; Instrumentos Nacionales ; Prat ].

Para detectar el cambio en la resistencia causado por la compresión del peso, se colocan uno o más medidores de tensión dentro de un puente de Wheatstone . Un puente de Wheatstone es un circuito eléctrico que puede detectar una resistencia eléctrica desconocida equilibrándola con resistencias conocidas en otras partes del circuito. En cierto sentido, es como una balanza para la resistencia eléctrica: el "peso" (resistencia) en un lado te dice el "peso" (resistencia) desconocido en el otro [fuentes: Craig ; Instrumentos Nacionales ; Prat ].

Un puente dado puede contener de 1 a 4 galgas extensométricas. Cuando se utilizan varios indicadores, se organizan en direcciones opuestas para mejorar la sensibilidad y mitigar los efectos de la temperatura. Debido a que el cambio de resistencia en un circuito de tensión puede ser minúsculo, la señal a menudo requiere amplificación [fuentes: Craig ; Instrumentos Nacionales ; Prat ].

Cuando una celda de carga mide el cambio de resistencia a la compresión, transmite una señal a la CPU, que la convierte en entrada para una placa de visualización, que luego muestra el resultado en una pantalla digital. Este principio sigue siendo cierto ya sea que use un medidor de tensión o algún otro tipo de dispositivo de medición.

Proporcionamos... Apalancamiento

Las palancas son útiles para pesar objetos grandes porque el apalancamiento convierte las fuerzas grandes en pequeñas. En algunas básculas grandes para camiones, como las básculas de foso fabricadas por Fairbanks, cada incremento de peso de 400 libras (181 kilogramos) en una parte de la palanca se convierte en solo 1 libra (0,45 kilogramos) en la otra. Por lo tanto, la celda de carga debe poder medir solo una fracción del peso total, y la báscula puede manejar fácilmente entre 50 000 y 100 000 libras (22 679 y 45 359 kilogramos) [fuente: Mashaney ].

La investigación, la industria y el comercio requieren la capacidad de medir pesos en una variedad aparentemente ilimitada de condiciones ambientales y limitaciones de espacio, al mismo tiempo que se controlan los posibles errores. Por lo tanto, aunque las galgas extensométricas son el tipo de celda de carga más utilizado, están lejos de ser el único diseño en uso en la actualidad [fuentes: Eilersen ; Omega ].

Las industrias que requieren mayor seguridad y esterilidad a menudo recurren a las celdas de carga neumáticas , que derivan el peso de un objeto midiendo la presión de aire necesaria para equilibrarlo. Estos fanfarrones funcionan bien en la industria alimentaria o en sitios peligrosos porque no contienen fluidos que puedan filtrarse, gotear o salpicar en el medio ambiente. Las celdas neumáticas pueden levantar una amplia gama de pesos con alta precisión, pero requieren una atmósfera limpia y seca y tienden a tomarse su tiempo para responder [fuente: Omega ].

Las celdas de carga hidráulicas , que miden la carga como un cambio en la presión del fluido, se encuentran comúnmente en tanques de pesaje, contenedores y tolvas. Debido a que funcionan sin electricidad, las celdas hidráulicas funcionan bien en lugares apartados donde la energía es una perspectiva dudosa. Caros y complicados, pero resistentes, estos dispositivos llenos de líquido no marcan ni fallan, incluso bajo cargas de un millón de libras [fuentes: Eilersen ; omega ; Takhirov et al. ].

Los términos "medidor de tensión", "neumático" e "hidráulico" describen los principios operativos , esencialmente, las leyes físicas que rigen cada técnica de pesaje. Pero un comprador que busque una báscula también podría considerar el tamaño, la forma, la configuración, los materiales y otros aspectos físicos de una celda en función de los requisitos del trabajo involucrado. Por ejemplo, un cliente que necesita tomar medidas en un ambiente húmedo puede elegir una celda de cartucho sellada herméticamente , mientras que una instalación preocupada por problemas de espacio libre puede optar por una celda de haz de flexión más delgada [fuentes: Mashaney ; Omega ].

Los factores de forma también se eligen por su capacidad para minimizar los efectos de fuerzas extrañas. Las básculas suelen medir la fuerza a lo largo de una sola dirección llamada eje principal , que, en el caso del peso, significa hacia abajo (en la dirección de la atracción gravitacional). Los errores de pesaje surgen principalmente de las fuerzas fuera del eje , que actúan paralelas a la carga, y de las cargas laterales , que actúan perpendicularmente [fuente: Novatech ]. Gracias a su diseño en zigzag, las celdas de carga s-beam se destacan en la eliminación de la carga lateral [fuente: Omega ].

Dentro de cada una de estas categorías y subcategorías, hay tamaños, formas y rangos de precios que se adaptan a casi todas las necesidades imaginables. Pero hay más en las escalas que solo sopesar sus opciones. Medir la fuerza está tan plagado de problemas técnicos como cualquier medición de precisión, lo que no es menor, si se considera que vidas humanas y montones de dinero pueden depender de la diferencia de unos pocos gramos.

Todas las escalas grandes y pequeñas

La ley de Hooke no es solo para pesar productos; también es la base del funcionamiento de uno de los dispositivos de medición de fuerza más pequeños del mundo: el microscopio de fuerza atómica utilizado en bioquímica, biología e ingeniería de materiales. Dichos microscopios utilizan un voladizo de silicio o nitruro de silicio a escala micrométrica (una viga similar a un resorte, apoyada en un solo lado) para detectar tirones de nanonewton y piconewton, fuerzas en la escala de atracciones intermoleculares [fuentes: Cumpson et al. ; Cappella y Dietler ].

Un viejo dicho dice que un hombre con un reloj sabe qué hora es, pero un hombre con dos relojes nunca está seguro. Las balanzas deben lidiar con un enigma similar: si pesas el mismo objeto dos veces, ¿obtienes el mismo resultado? ¿Qué tal en días diferentes, bajo condiciones climáticas cambiantes? Si es así, ¿puede la báscula permanecer constante a pesar del desgaste?

Estos factores, conocidos respectivamente como repetibilidad , reproducibilidad y ajuste , son todos importantes, pero un posible comprador también debe considerar preguntas más básicas, como el rango de peso de la báscula , incluida su capacidad mínima y máxima [fuente: AWS ].

Por otra parte, esas estadísticas importan poco si un dispositivo carece de la exactitud y precisión necesarias para el trabajo. Aunque los dos términos a menudo se usan incorrectamente como sinónimos, no son intercambiables: la precisión describe qué tan cerca mide un instrumento un valor real o esperado, mientras que precisión se refiere a qué tan granular o exacta es esa medición. Una pistola de velocidad que registra una bola rápida de 90,4213 mph a 90 mph es precisa pero no precisa; una pistola de velocidad que registra la misma bola rápida a 88.3246 mph es precisa pero no exacta.

Las básculas suelen expresar la precisión como un porcentaje de la escala completa ( FS ), el rango calibrado total que puede medir un dispositivo. Por ejemplo, una precisión del 1 por ciento de FS puede significar +/- 5 libras para una báscula de 500 libras, pero +/- 1 libra en una báscula de 100 libras. Alternativamente, el error se puede expresar como un porcentaje de la lectura real ( AR ): para un objeto que pesa 100 libras en una báscula de este tipo, un AR del 2 por ciento significaría un error de 2 libras, ya sea que la báscula tenga un rango de 10 libras o 10,000 [ fuentes: AWS ; Busch ; Plint ].

La precisión de una escala es igualmente variable. Según el estándar industrial, independientemente de la capacidad, las básculas se dividen en un máximo de 10 000 divisiones: por lo tanto, una báscula de 10 000 libras se dividirá en incrementos de una libra, mientras que una báscula de 500 000 libras se dividirá en incrementos de 50 libras [fuentes: AWS ; Crowley ; Mashaney ]. Los dispositivos de pesaje se agrupan en categorías según estas divisiones (consulte la barra lateral).

Con esto en mente, siempre intente seleccionar una báscula que tenga una capacidad lo suficientemente alta para manejar lo que está midiendo, pero no mucho más. Esto asegurará que obtenga la mayor precisión posible, libra por libra.

Mantenerse dentro de su categoría de peso

• Las básculas de clase I , comúnmente utilizadas en el pesaje de laboratorio de precisión, tienen un mínimo de 50 000 divisiones que miden 1 miligramo o más cada una.
• Las escalas de Clase II , utilizadas para muestras de laboratorio o piedras preciosas más grandes, tienen 100-100,000 divisiones de 1-50 miligramos, o 100 miligramos y más [fuentes: AWS ; NIST ].
• Las básculas comerciales Clase III pesan todo, desde franqueo hasta animales. Cuentan con 100-10,000 divisiones que van desde incrementos de 0.1-2.0 gramos, o incrementos de 5 gramos y más grandes.
• Los dispositivos de Clase IIIL consisten en básculas para vehículos con 2.000-10.000 divisiones de 2 o más kilogramos cada una.
• Las básculas Clase IIII , utilizadas por el control de peso en las carreteras para verificar las cargas de las ruedas y los ejes, tienen 100-1,200 divisiones de 5 gramos o más [fuentes: AWS ; NIST ].

Nota del autor: Cómo funcionan las básculas digitales

Uno de los placeres de escribir para .com surge del encuentro con la sorprendente delicadeza, belleza y complejidad que se encuentra en los objetos cotidianos. La hábil ingeniería y las piezas intrincadamente fresadas que forman parte de estos artículos son, por sí solas, suficientes para inspirar a cualquier tecnófilo. Mire más allá de los accesorios y electrodomésticos hasta el corazón de cualquier dispositivo, particularmente uno que se usa para medir, y encontrará algo aún más maravilloso: una ley física, ingeniosamente unida a una variedad de herramientas específicas y útiles.

En ninguna parte es esto más cierto que en las escalas. Solo en este artículo, encontré la ley de Hooke para resortes; la ley de Pascal para la presión de fluidos; la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac que describen el comportamiento de los gases; y la ley de Ohm para la resistencia eléctrica, y eso sin mencionar las diversas leyes sin nombre que gobiernan el estrés y la deformación.

Entonces, la próxima vez que se encuentre con un político que quiera recortar la educación científica en nombre de equilibrar el presupuesto, podría valer la pena reflexionar que nuestros facilitadores fiscales más duraderos, las escalas, son posibles gracias a una marcha centenaria de descubrimientos científicos.

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