¿Cómo calcular la incertidumbre de una celda de carga?

¡Hola! Como proveedor de celdas de carga, últimamente he recibido muchas preguntas sobre cómo calcular la incertidumbre de una celda de carga. Es un tema crucial, especialmente cuando depende de mediciones precisas para sus aplicaciones. Entonces, pensé en desglosarlo en esta publicación de blog.

¿Qué es la incertidumbre de la celda de carga?

Primero lo primero, comprendamos qué entendemos por incertidumbre de la celda de carga. En términos simples, la incertidumbre es una estimación del rango dentro del cual se encuentra el valor real de una medición. Cuando se utiliza una celda de carga para medir fuerza o peso, existen varios factores que pueden hacer que el valor medido se desvíe del valor real. Estos factores contribuyen a la incertidumbre de la celda de carga.

Factores que afectan la incertidumbre de la celda de carga

Hay varios factores que pueden afectar la incertidumbre de una celda de carga. Echemos un vistazo a algunos de los más comunes:

1. No linealidad

La no linealidad es una medida de cuánto se desvía la salida de la celda de carga de una línea recta. En un mundo ideal, la relación entre la fuerza aplicada y la señal de salida de la celda de carga sería perfectamente lineal. Sin embargo, en realidad, siempre existe cierto grado de no linealidad. Esto puede deberse a la estructura mecánica de la célula de carga, como la forma del elemento de resorte o la forma en que se fijan las galgas extensométricas.

2. Histéresis

La histéresis ocurre cuando la salida de la celda de carga es diferente para la misma carga aplicada, dependiendo de si la carga aumenta o disminuye. Por ejemplo, cuando aplica una carga a la celda de carga y luego la retira, es posible que la salida no vuelva exactamente a su valor original. Esto se debe a la fricción interna y a las propiedades elásticas de los materiales de la celda de carga.

3. Repetibilidad

La repetibilidad se refiere a la capacidad de la celda de carga para dar la misma salida para la misma carga aplicada cuando la prueba se repite en las mismas condiciones. Si una celda de carga tiene poca repetibilidad, significa que hay una variación significativa en los valores medidos cada vez que se aplica la misma carga. Esto puede deberse a factores como ruido eléctrico, vibraciones mecánicas o desgaste de los componentes de la celda de carga.

4. Efectos de la temperatura

La temperatura puede tener un impacto significativo en el rendimiento de una celda de carga. Los cambios de temperatura pueden hacer que cambien las dimensiones de la celda de carga, lo que puede afectar las galgas extensométricas y, por tanto, la señal de salida. Además, la temperatura también puede afectar las propiedades eléctricas de las galgas extensométricas, como su resistencia. La mayoría de las celdas de carga están diseñadas con compensación de temperatura para minimizar estos efectos, pero todavía existe cierta incertidumbre residual debido a las variaciones de temperatura.

Calcular la incertidumbre de la celda de carga

Ahora que entendemos los factores que afectan la incertidumbre de la celda de carga, hablemos sobre cómo calcularla. El cálculo de la incertidumbre de la celda de carga generalmente se basa en un enfoque estadístico. Estos son los pasos generales:

1. Identificar las fuentes de incertidumbre

Como comentamos anteriormente, existen varias fuentes de incertidumbre, incluidas la no linealidad, la histéresis, la repetibilidad y los efectos de la temperatura. Debe identificar todas las fuentes de incertidumbre relevantes para su celda de carga y aplicación específicas.

2. Estimar la incertidumbre de cada fuente

Una vez que haya identificado las fuentes de incertidumbre, deberá estimar la incertidumbre de cada fuente. Esto se puede hacer mediante pruebas de calibración, especificaciones del fabricante o datos históricos. Por ejemplo, el fabricante puede proporcionar el error de no linealidad como un porcentaje de la salida a escala completa. Puede utilizar este valor como estimación de la incertidumbre debida a la no linealidad.

3. Combina las incertidumbres

Después de estimar la incertidumbre de cada fuente, es necesario combinarlas para obtener la incertidumbre general de la celda de carga. Esto generalmente se hace usando el método de raíz de suma de cuadrados (RSS). La fórmula para el método RSS es:

[U_{total}=\sqrt{U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+\cdots+U_{n}^{2}}]

donde (U_{total}) es la incertidumbre total, y (U_{1}, U_{2},\cdots, U_{n}) son las incertidumbres debidas a cada fuente.

Digamos que ha estimado la incertidumbre debida a la no linealidad ((U_{nl})), la histéresis ((U_{h})), la repetibilidad ((U_{r})) y los efectos de la temperatura ((U_{t})). La incertidumbre global de la celda de carga sería:

[U_{total}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}]

Ejemplo de cálculo

Veamos un ejemplo para ilustrar cómo calcular la incertidumbre de la celda de carga. Suponga que tiene una celda de carga con las siguientes especificaciones:

• Error de no linealidad: ±0,1 % de la salida de escala completa
• Error de histéresis: ±0,05 % de la salida de escala completa
• Error de repetibilidad: ±0,03 % de la salida de escala completa
• Coeficiente de temperatura del equilibrio cero: ±0,002%/°C de salida de escala completa
• Coeficiente de sensibilidad de temperatura: ±0,001%/°C de salida de escala completa

La salida de escala completa de la celda de carga es de 1000 N y el rango de temperatura durante la medición es de 20 °C a 30 °C.

Primero, calculemos la incertidumbre debida a los efectos de la temperatura. El cambio de temperatura (\Delta T = 30 - 20=10^{\circ}C).

La incertidumbre debida al coeficiente de temperatura de equilibrio cero ((U_{t1})) es:

[U_{t1}=0.002%\times10\times1000 = 0.2N]

La incertidumbre debida al coeficiente de sensibilidad a la temperatura ((U_{t2})) es:

[U_{t2}=0.001%\times10\times1000 = 0.1N]

La incertidumbre total debida a los efectos de la temperatura ((U_{t})) es:

[U_{t}=\sqrt{U_{t1}^{2}+U_{t2}^{2}}=\sqrt{0.2^{2}+0.1^{2}}=\sqrt{0.04 + 0.01}=\sqrt{0.05}\approx0.22N]

La incertidumbre debida a la no linealidad ((U_{nl})) es:

[U_{nl}=0,1%\times1000 = 1N]

La incertidumbre debida a la histéresis ((U_{h})) es:

[U_{h}=0,05%\times1000 = 0,5N]

La incertidumbre debida a la repetibilidad ((U_{r})) es:

[U_{r}=0,03%\times1000 = 0,3N]

Ahora, calculemos la incertidumbre general de la celda de carga usando el método RSS:

[U_{total}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}=\sqrt{1^{2}+0.5^{2}+0.3^{2}+0.22^{2}}=\sqrt{1 + 0.25+0.09 + 0,0484}=\sqrt{1,3884}\aprox1,18N]

Importancia de conocer la incertidumbre de la celda de carga

Conocer la incertidumbre de una celda de carga es crucial por varias razones. En primer lugar, le ayuda a garantizar la precisión de sus mediciones. Si está utilizando una celda de carga en una aplicación crítica, como en un proceso de fabricación donde se requieren mediciones de fuerza precisas, comprender la incertidumbre puede ayudarlo a determinar si la celda de carga es adecuada para el trabajo.

En segundo lugar, le permite evaluar la calidad de su celda de carga. Al comparar la incertidumbre calculada con las especificaciones del fabricante, puede identificar cualquier problema potencial con la celda de carga y tomar las medidas adecuadas.

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Conclusión

Calcular la incertidumbre de una celda de carga es un paso importante para garantizar la precisión de sus mediciones de fuerza y ​​peso. Al comprender los factores que afectan la incertidumbre y seguir los pasos descritos en esta publicación de blog, puede calcular la incertidumbre de su celda de carga y tomar decisiones informadas sobre su idoneidad para su aplicación. Si tiene alguna pregunta o está interesado en comprar una celda de carga, no dude en comunicarse con nosotros para obtener más información e iniciar una discusión sobre la adquisición.

Referencias

• OIML R60: Recomendaciones para celdas de carga, Organización Internacional de Metrología Legal.
• ASTM E4: Prácticas estándar para la verificación de fuerza de máquinas de prueba, Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales.