¿Cómo nace la célula de carga de compresión CBL 250-12500?

Desde el mecanizado de la pieza de acero hasta su embalaje y expedición, pasando por el pegado con adhesivo de las galgas extensiométricas, el cableado, la calibración y el ensayo…estas son todas las fases del proceso de fabricación para convertir un simple cilindro de acero en el componente más importante del sistema de pesaje.

La fabricación de la célula de carga empieza en el taller mecánico al que llegan las barras de acero inoxidable 17-4 PH para su mecanizado.

Por su elasticidad y su dureza, el acero inoxidable 17-4 PH es un material especialmente adecuado para las células de carga.

En efecto, utilizado junto con las galgas extensimétricas correctas, el error en el ciclo de histéresis es muy reducido.
Esta característica le permite mantener un comportamiento elástico también con fuerzas muy elevadas: se deforma al aplicarle una carga y luego vuelve a su condición inicial al retirar la misma.

Todas las barras se comprueban con una maquinaria de ultrasonidospara detectar posibles imperfecciones del acero, luego en cada una se indican el diámetro y el número de colada para facilitar la trazabilidad del lote.

Una vez superados los controles, el cilindro se mecaniza en 3 fases: dos se realizan en el torno y una en la fresadora.

• Durante la primera fase de torneado el operario realiza el alojamiento de la célula, donde posteriormente se van a colocar las galgas extensiométricas.
• En la segunda fase de torneado, en la parte opuesta, se mecaniza un pequeño cilindro de carga superior típico de las células de carga CBL.
• En la tercera fase, en la fresadora se mecanizan el asiento del prensacable y el orificio para el paso del cable.

La parte mecánica de la célula de carga está lista para pasar al mecanizado siguiente.

Durante las 3 fases de mecanizado, el cilindro pierde gran parte del material original que se convierte en "merma" (desecho) y su peso pasa de 2 kg a 650 g.

El tratamento térmico del envejecimiento sirve para eliminar las tensiones del material y obtener la dureza deseada de la célula, mejorando su elasticidad.

Con el envejecimiento se entra en una fase crucial de la fabricación de las células de carga.

Las células de carga se introducen por lote en el horno, mientras el panel de control supervisa la operación y prepara un gráfico y un certificado correspondiente al tratamiente térmico realizado.

Los hornos industriales utilizados para este tratamiento pueden ser de dos tipos: de aire o de mufla.
El horno de aire funciona por ventilación, mientras que el de mufla utiliza resistencias en espiral para producir calor.

Para células de carga especiales (como las certificadas OIML R 60), el tratamiento térmico prevé otro paso antes del envejecimiento: el temple.

Durante el temple la célula es tratada a 1050°C en un horno industrial de alto vacío y luego se enfría a -80°C en un horno criogénico.
El horno de alto vacío evita que la célula de carga se deforme, mientras que con el choque térmico en horno criogénico se relajan totalmente las tensiones del acero inoxidable 17-4 PH, para que la célula sea aún más precisa y lineal.

Esta fase previa al envejecimiento se realiza con la pieza en bruto antes de su mecanizado para eliminar toda tensión presente en el interior de la célula de carga.

Tras el tratamiento térmico, la célula de carga se somete a pulido y arenado.

Pulido

La superficie se cepilla con una pasta abrasiva y se pule para reducir la rugosidad de la célula y evitar el depósito de materiales y facilitar su limpieza.

Arenado

Con la ayuda de una máquina de chorro de arena, el operario nebuliza microesferas de cristal a la superficie de la célula para volverla porosa.

Las CBL 250-12500 se pulen en el exterior y se les aplica el arenado sólo en la parte interior, así gracias a la porosidad de la superficie obtenida con el proceso de arenado, la galgas extensiométricas se adhieren mejor al cuerpo de la célula.

Por último, la célula de carga se lava de nuevo a 50°C para eliminar todo rastro de arena, microesferas y grasa de la pasta abrasiva.
Una vez finalizado el lavado, las células de carga se apilan colocando un disco de silicona entre una y otra. Esto sirve para evitar roces o daños durante las fases siguientes del ciclo productivo.

La célula de carga se lleva al laboratorio, donde se somete a dos controles: el dimensional y el de planicidad.

Control dimensional

El control dimensional se realiza con los calibres que a su vez se calibran con patrones Johansson.

¿Qué son los patrones Johansson?

Los también llamados "bloques patrón longitudinales" son paralelepípedos de acero magnético de espesor variable (de 0,01 a 10 mm) mecanizados para obtener 2 caras perfectamente paralelas.

Al hacer adherir entre sí mediante roce varios patrones de distinto valor nominal, se pueden comprobar los calibres utilizados para medir los espesores de las membranas de las células de carga.

Los patrones Johansson tienen una vita útil limitada. Por lo tanto, deben revisarse periódicamente para conseguir una nueva certificación, o bien reemplazarlos por otros nuevos.

Control de planacidad

Para controlar la planicidad, se coloca la célula de carga sobre una superficie perfectamente plana y con los dedos se ejerce una fuerza sobre la misma.

Si la célula se mueve, significa que la corona de apoyo no es perfectamente plana y la célula se desecha. En efecto, es esencial que se quede inmóvil porque de lo contrario no podrá funcionar correctamente.

El término más "patrones Johansson" se debe a Carl Edvard Johansson que creó su primer conjunto en 1897.

También se les conoce como bloques patrón, calas o galgas patrón o bloques Jo.

Tras el pulido y los controles mecánicos, se comprueba el grado de dureza de la célula de carga.
El control se realiza por muestreo sobre aproximadamente el 10% de las piezas, siendo suficiente para garantizar que todo el lote cumple los parámetros solicitados.

Para esta prueba el operario utiliza un durómetro, es decir una máquina con un elemento penetrante que mide el grado de dureza que presenta el metal después del tratamiento térmico de envejecimiento y confirma que el parámetro medido sea correcto.

Para la comprobación se pueden utilizar distintos métodos y escalas. El más adecuado se elige dependiendo de la forma y material del elemento penetrante y de las fuerzas de precarga y carga aplicadas.
En este caso la escala elegida es HRC (Hardness Rockwell Cone), utilizada para las piezas de acero templado.

La célula de carga está lista para el grabado de los ejes y el marcado.

Tanto el grabado como el marcado se realizan con un marcador láser que puede grabar cualquier material, con un resultado extremamente limpio y preciso.

Grabado

La fase del grabado es fundamental.
Siguiendo las indicaciones del plano proporcionado por el proyectista mecánico, se graban en el interior del alojamiento de la célula de carga los ejes que durante la fase de pegado con adhesivo indican al operario dónde deben colocarse con precisión las galgas extensiométricas.

Marcado

El marcador se desplaza de una célula a otra y graba en cada una la etiqueta correspondiente con los datos de placa que garantizan su total trazabilidad.

Una vez finalizados todos los controles mecánicos, la célula de carga se lava de nuevo.
Esta vez se utiliza una lavadora industrial por ultrasonidos, para asegurar su desengrase total.

El operario introduce unos 10 kg de células en una cesta y la sumerge en agua a una temperadura de 70°C. Las células de carga se someten a una serie de ultrasonidos a 70 Hz durante 2-5 minutos y posteriormente se aclaran.

Tras el lavado, la diferencia entre pulido y arenado es clara y evidente.
La superficie de la célula de carga pulida es lisa, por lo que el agua resbala inmediatamente; la de la célula arenada es porosa y retiene el agua, que tarda más tiempo en evaporar.

¿Y si hace falta lavar sólo una célula de carga?

En este caso se utiliza un sistema totalmente ECOLÓGICO que permite reciclar el agua utilizada.
¿Cómo? Una vez al mes se echa en el quipo una pastilla que contiene microorganismos capaces de "digerir" la grasa que suelta la célula y mantener limpia el agua.

La galga extensiométrica es una pequeña rejilla de hilos de constantán (una aleación binaria de vobre y níquel) y es el elemento sensible de medición de la célula de carga.

Pegada en el interior del alojamiento de la célula, se deforma igual que la superficie de la célula.
Al deformarse, se produce una variación de resistencia, y por lo tanto de señal eléctrica, proporcional a la fuerza aplicada a la célula.

Estas variaciones se miden gracias a la realización de un circuito de puente de Wheatstone.
El puente conecta varias galgas extensiométricas entre sí por medio de hilos eléctricos y una placa de circuito impreso (Printed Circuit Board - PCB) que permiten detectar el alcance de la deformación como variación de señal eléctrica expresada en mV/V (milivoltios er voltio).

La célula de carga pasa entonces al departamento donde se realiza la tarea más delicada. Aquí técnicos expertos y especializados seleccionan, colocan y pegan con cuidado artesanal las galgas extensiométricas.

En este departamento, todo se mantiene bajo el máximo control: la temperatura siempre está comprendida entre 20°C y 24°C, el nivel de humedad se mantiene constante y la ausencia de polvo es total.
Todo se controla minuciosamente, ya que nada debe afectar a la galga extensiométrica y su aislamiento.

Sin embargo, antes de realizar ed pegado con adhesivo, hay que limpiar una vez más la célula de carga.
El técnico realiza la limpieza manualmente con dos productos: el acondicionador y el neutralizador.

Acondicionador

El acondicionador es un compiesto de ácido fosfórico que corroe ligeramente la superficie de la célula y permite desengrasarla totalmente.

El técnico vierte una gota de acondicionador en el interior del alojamiento para limpiarlo a fondo, luego seca los residuos con gasas.

Esta es la fase más importante de la fabricación de la célula de carga.
La precisión del pegado, realizado a mano por operarios muy expertos, garantiza la excelente prestación de la célula en términos de repetibilidad, linealidad y error combinado.

Primero el operario desembala las galgas extensiométricas, las coloca en fila sobre una superficie de vidrio y las cubre con cinta adhesiva Mylar, resistente a altas temperaduras.

Posteriormente aplica el adhesivo en un lado, después también en el interior del alojamiento en los puntos ya trazados con marcador láser.

Hay que esperar entonces 4-5 minutos para que evaporen totalmente los disolventes que contiene el adhesivo, así la aderencia de la galga extensiométrica al cuerpo de la célula de carga es perfecta.

Por último, el operario apoya con precisión las galgas extensiométricas sobre la célula siguiendo como referencia las pequeñas flechas en los lados de su rejilla y las marcas del dibujo extensiométrico.

Una vez pegadas, las protege con una tira de cinta Mylar sobre la cual se colocan, por este orden:

• un pequeño disco de teflón
• un pequeño disco de goma
• un tapón de baquelita a presión

El operario agrupa las células en un recipiente especial de presión y, con una llave dinamométrica, aprieta con el par correcto el tornillo que se encuentra en la cabeza.
Esta operación le permite conocer y controlar la fuerza de cierre aplicada, evitando dañar las galgas extensiométricas y modificar el 0 de la célula de carga.

El conjunto de células se introduce en el hormo a 175°C. De este modo el adhesivo evapora y la presión ejercida por el recipiente convierte a le célula y la galga extensiométrica en un único cuerpo indisoluble.

Tras pegar las galgas extensiométricas, se realiza el cableado de la célula de carga.

El operario retira primero las protecciones y la cinta Mylar de las galgas extensiométricas y comprueba que estén perfectamente adheridas al cuerpo de la célula.

Luego deposita unos puntos de estaño en las superficies de soldadura de las galgas extensiométricas para conectar los hilos eléctricos y realizar el cableado.

Para cada punto de estaño conecta un hilo y limpia la galga extensiométrica para eliminar posibles residuos del estañado.

Esta operación se realiza en todas las 4 galgas extensiométricas.

La parte superior de la galga extensiométrica normalemente está encapsulada, para que no se dañe en caso de caída de alguna gota de estaño.
También hay galgas extensiométricas no encapsuladas que requieren un mayor cuidado.

El operario puede entonces conectar los hilos al circuito impreso PCB expresamente diseñado para la célula de carga CBL y crear el puente de Wheatstone.

Tras realizar las conexiones, introduce en la célula un cable eléctrico de 6 conductores y coloca un trocito de funda termorretráctil entre el cuerpo mecánico y el cable apantallado, para evitar el contacto con la célula.

El cable de 6 hilos funciona por pares:

• el blanco y el verde constituyen el ramal de la señal;
• el rojo y el negro forman el ramal de la alimentación;
• el azul claro y el amarillo constituyen el ramal del sense (o reference) que indica al instrumento el valor de alimentación real que llega a la célula.

El apantallado, o malla, es la protección que rodea los hilos del cable eléctrico y es importante tener la precaución de conectarlo al instrumento electrónico.
En efecto, sirve para proteger los conductores contra posibles perturbaciones electromagnéticas procedentes del entorno externo y nunca debe entrar en contacto con la célula de carga.

Como último paso, el operario coloca en paralelo las resistencias que permiten compensar las variaciones mínimas de módulo élastico debido a los cambios de temperatura.

Una vez completado el cableado, realiza los últimos controles.

La prueba de calibración sirve para medir la respuesta de la célula en 10 puntos de subida y 10 de bajada y los valores medidos se expresan en mV/V.
La respuesta de una célula de carga siempre debe ser directamente proporcional, es decir lineal, a la carga aplicada (de 0 a su capacidad máxima).

La máquina electromecánica (que en otros casos puede ser hidráulica o de pesos directos) aplica a la célula una fuerza correspondiente a su capacidad máxima y la compara con una célula mustra certificada, llamada "célula de carga primaria".

La capacidad (o fondo de escala) es el máximo valor de peso que la célula puede soportar.
Por ejemplo: a una célula de carga con capacidad máxima de 2.500 kg, en la calibración se aplica una carga de 2.500 kg.

Al final del ensayo la máquina emite un informe que indica al operario los valores de resistencia para realizar el balance en cero y la calibración de la sensibilidad de la célula de carga.

Balance en cero

El balance en cero (o "cero célula") es el valor que muestra la célula de carga cuando no se ejerce ninguna fuerza sobre la misma, es decir está descargada.

Para ello, el operario coloca en el circuito impreso PCB las resistencias en paralelo que permiten realizar el balance del puente de Wheatstone.

Calibración de la sensibilidad

La sensibilidad, que se expresa en mV/V, es el valor que la células de carga muestra cuando se aplica la carga máxima, dividida por la tensión de alimentación.

Se calibra también la sensibilidad, utilizando las resistencias. Según el valor resultante de la prueba de calibración, el operario agrega las resistencias necesarias para corregir la célula de carga hasta conseguir el valor correcto de salida (2 mV/V±0,0200)

La célula de carga se coloca en cámara climática, donde se realiza el ensayo a temperatura para la compensación de deriva térmica de 0.

Cada ciclo de ensayo térmico dura unas 6/8 horas y se realiza midiendo el cero de la célula de carga una temperatura de +20°C, -10°C, +50°C y por último de nuevo +20°C.

Gracias a un algoritmo, el software de la cámara climática calcula el valor de las resistencias que el operario debe introducir en el circuito impreso PCB para que la célula mida el mismo valor de cero tanto a una temperatura de -10°C, como a +50°C.

En el caso de las células de carga CBL, para activar las resistencias necesarias, la compensación térmica de cero se realiza efectuando unas interrupciones directamenteen las pistas del PCB.

Tras activar las resistencias, la célula se comprueba de nuevo con la máquina electromecánica para el ensayo definitivo y por fin está lista para la aplicación de resina.

1 - Aplicación de resina al cable

En la primera fase de la aplicación se coloca la célula sopre un costado y se vierte la resina epoxi sobre la entrada del cable ya soldado al circuito impreso PCB en fase de cableado.

La resina debe secar durante al menos 8 horas para que endurezca e se vuelva indestructible y asegurar la estanqueidad del prensacable, para que no se filtren ni agua ni humedad.

2 - Aplicación de resina al alojamiento de la célula

En la segunda fase de la aplicación, la célula de carga se coloca plana y se vierte la resina en el interior del alojamiento hasta sumergir totalmente las galgas extensiométricas, los hilos y el circuito impreso PCB.

Aunque la resina utilizada en el interior del alojamiento sea más suave y elástica que la empleada para el prensacable para permitir la deformación mecánica necesaria, los componentes se quedan totalmente sujetos y protegidos contra infiltraciones y daños causados por posibles vibraciones.

Para garantizar su eficacia, ambas resinas se someten a ensayo. La resina utilizada para el prensacable se somete a un ensayo de tracción con un peso de 30 kg durante 10 minutos; la resina del alojamiento se ensaya dejando una célula de carga sumergida en agua durante 24 meses.

Cuando la resina está seca, el operario coloca la tapa de protección y la ecaja en el alojamiento de la célula de carga.
La tapa está expresamente diseñada para todo tipo de célula de carga y está hecha a medida con material elástico para no afectar en modo alguno las prestaciones de la célula en términos de error combinado, repetibilidad y linealidad.

El operario coloca la célula de carga en la máquina soldadora de 4 ejes y suelda la tapa con láser.

La máquina realiza un primer paso de soldadura por puntos, luego realiza una primera soldadura en sentido horario y una segunda en sentido antihorario para completarla y garantizar su perfección y la estanqueidad del grado de protección IP68/IP69K.

La soldadura por láser es de mayor calidad, menos invasiva y sin ninguna aportación de material. En efecto, el láser no calienta el metal como ocurre con la soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) que es más espesa y superficial.

El cordón de la soldadura TIG tiene un grosor de 5 mm y afecta el metal en la superficie, mientras que el del láser es muy fino (0,10 mm) y penetra mucho más en profundidad.

Durante esta operación se controlan constantemente el correcto funcionamiento de la célula de carga y su cero.
Al mismo tiempo, en la pantalla de la máquina se proyecta la imagen de la célula ampliada 10 veces, para que el operario pueda controlar de la mejor forma posible el avance y la correcta relización de la soldadura.

El ensayo es la última prueba antes del embalaje y la expedición de la célula de carga.

Se verifican especialmente las características eléctricas básicas de la célula, para detectar los fallos y defectos más evidentes.
La máquina utilizada está integrada por un multímetro digital y una matriz de relé que varía las conexiones dependiendo del parámetro a ensayar.

El operario escanea el código de barras de la célula de carga para registrarla en el software y la conecta a la máquina a través de conectores de cocodrilo, uno por cada hilo.

Por último, inicia el software que recoge:

• una base de datos con el resumen de todos los requisitos que debe cumplir la célula de carga en cuestión;
• los datos de identificación de la célula (modelo, capacidad, número de serie y clase OIML) que se van a imprimir en el certificado.

Inicia la prueba.

La máquina revisa:

• los aislamientos eléctricos entre las distintas partes de la célula de carga (cuerpo-apantallado, cuerpo-hilos, apantallado-hilos);
• el correcto cortocircuito de los hilos reference y las alimentaciones correspondientes;
• las resistencias de entrada entre las dos alimentaciones y las de salida entre las dos señales + y - ;
• la tensión en circuito abierto, es decir el valor generado por la célula cuando no está cargada.

Si el software detecta que todos los valores se encuentran dentro de los parámetros, la prueba finaliza con éxito.

El multímetro digital mide todos los valores en ohmios, que es la unidad de medida de la resistencia.
Sólo para la tensión en circuito abierto muestra un valor en mV.

Al final de cada prueba, también se realiza una verificación manual. El operario ejerce presión con las manos en la célula de carga y comprueba que el valor del multímetro varíe por efecto de la fuerza aplicada.

El cerificado de ensayo está listo para imprimir y se adjunta a la célula de carga. Incluye sus datos y los valores de las características técnicas verificadas.

Durante la verificación manual, el operario ejerce presión en la célula sólo si la misma es de compresión. En cambio, en las células de carga de tracción, el operario "tira" del sensor.
En efecto, hay que ejercer la fuerza siempre en la dirección en la que la célula va a pesar.

18. Embalaje y expedición

La célula de carga ya está lista para su embalaje y expedición.

El operario envía el pedido al almacén, teniendo especial cuidado de que el número de serie comunicado sea el mismo que se encuentra en la célula recién ensayada.

El almanecero saca la célula de carga de su caja y la coloca en un embalaje especial provisto de un sistema de protección con bloqueo.
Está integrado por cartón y una fina película de alta resistencia que se puede desechar con el papel, siendo así totalmente reciclable.

¿Cómo funciona el sistema de bloqueo?

Al doblar los dos extremos del cartón, la película se tensa y envuelve totalmente la célula, asegurando su perfecta estabilidad sin necesidad de añadir otros materiales de relleno.
La célula de carga no se mueve y está protegida contra posibles impactos durante el transporte.

El embalaje puede ser reutilizado por quien lo recibe, reduciendo así al mínimo la cantidad de residuos producidos en ambos extremos del ciclo productivo.

El almanecero prepara el invío volviendo a colocar la célula en su caja junto con el certificado de ensayo.

En realidad, la superficie en la que se prepara el bulto es una plataforma de pesaje con muchas bolitas que facilitan el deslizamiento del embalaje por el carro.
Gracias a su plataforma, se pesa el bulto durante su preparación y el indicador de peso WLIGHT muestra y registra su peso.

El almanecero puede entonces sellarlo, aplicar el documento de transporte que identifica su contenido y su destino y, por último, enviarlo.