Sistema de pesaje para grúas: selección e instalación de sensores
El sistema de pesaje para grúas se basa en cinco tipos de sensores: tipo pasador, tipo compresión, tipo tensión S, tipo placa-anillo y tipo hidráulico. Junto con indicadores digitales, permite la medición en tiempo real de la carga izada y la protección contra sobrecarga, con precisiones que abarcan las clases C3~C6 (error combinado ±0.02% FS ~ ±1% FS). Constituye un subsistema clave para la supervisión de seguridad y las transacciones comerciales.
En los aparatos de elevación modernos, el sistema de pesaje ha evolucionado desde una simple protección contra sobrecargas hasta convertirse en un subsistema de seguridad central que integra medición en tiempo real, registro de datos y monitoreo remoto. Según lo estipulado en el reglamento TSG 51-2023 (Reglamento técnico de seguridad de equipos especiales), las grúas puente y pórtico con una capacidad nominal superior a 3t deben estar equipadas con un limitador de carga. Para aplicaciones de transacciones comerciales o medición de procesos, también se debe cumplir con los grados de precisión establecidos en la recomendación internacional OIML R60. Este artículo revisa sistemáticamente los métodos de selección, normas de instalación, procedimientos de calibración y solución de problemas comunes para los cinco tipos de sensores de pesaje, proporcionando una referencia técnica completa para el diseño, selección y mantenimiento en campo.
El diseño de esta solución sigue los requisitos principales de la norma ISO 4301 / FEM 1.001 (equivalente a ISO 4301) para el diseño de grúas y el reglamento TSG 51-2023 para la supervisión técnica de seguridad de aparatos de elevación, con explicaciones específicas para las necesidades de precisión especiales en el campo de la medición de peso. En la práctica de ingeniería, la selección del sistema de pesaje también debe considerar factores como la estructura del mecanismo de elevación, la multiplicidad del Cable de Acero y las características de impacto de la carga.
Tipos de sistemas de pesaje y principio de funcionamiento
El sistema de pesaje de una grúa se compone de cuatro partes: el sensor, el transmisor de señal, el indicador y la interfaz de comunicación. El sensor convierte la fuerza mecánica de la carga en una señal eléctrica (voltaje a nivel de mV o corriente de 4~20mA). Esta señal se amplifica y filtra en el transmisor antes de ser procesada por el indicador, que realiza la conversión A/D y el procesamiento digital para mostrar el peso en tiempo real en una pantalla LED o LCD de 6 dígitos. El principio de funcionamiento se basa en el efecto extensiométrico: cuando el elemento elástico se deforma bajo carga, la resistencia de las galgas extensiométricas adheridas cambia, y a través del puente de Wheatstone se genera una señal de voltaje diferencial proporcional a la carga.
Según la posición de montaje y el modo de operación en la grúa, los sistemas de pesaje se clasifican en dos tipos: medición directa e indirecta. Los sensores de medición directa (tipo compresión, tipo pasador) soportan toda o la mayor parte de la fuerza de la carga izada, pudiendo alcanzar una precisión de clase OIML C6, adecuados para transacciones comerciales. Los sensores de medición indirecta (tipo tensión S, tipo placa-anillo) miden la tensión del Cable de Acero para inferir la carga; su precisión es ligeramente menor, pero requieren la mínima modificación para su instalación, siendo ideales para equipos antiguos. Los dispositivos de pesaje hidráulico infieren la carga a través de la presión del aceite, ofreciendo la mayor resistencia al impacto, aunque su resolución se ve afectada por las variaciones de temperatura del aceite.
Selección de sensores y grado de precisión
El grado de precisión de una Celda de Carga se clasifica según la recomendación internacional OIML R60 en seis clases, de C1 a C6; cuanto mayor es el número, mayor es la precisión. La clase C3 (error combinado ≤±0.02% FS, número de divisiones de verificación n=3000) es el grado común para la medición industrial. Las clases C4~C5 (n=4000~5000) se utilizan para aplicaciones de mayor precisión, y la clase C6 (n=6000) cumple con los requisitos para transacciones comerciales. Al seleccionar, se debe tener en cuenta que la capacidad nominal del sensor debe ser de 1.2 a 1.5 veces la carga máxima real para prever márgenes de impacto y fatiga. Además, se debe asegurar que el sensor opere dentro del rango del 20% al 80% de su capacidad nominal para evitar errores de no linealidad cerca del cero y del fondo de escala.
El sensor tipo pasador reemplaza directamente el eje de la polea o el eje del tambor. Con un rango de medición de 1t a 500t, no ocupa espacio adicional y está libre de mantenimiento (Grado de Protección IP67), siendo la solución más común para grúas puente y pórtico. El sensor tipo compresión (tipo disco) se instala debajo de la Estructura del carro o de la polea fija, pudiendo alcanzar la clase C6, adecuado para aplicaciones que requieren medición precisa, como en puentes grúa de fundición, pero requiere una base de montaje mecanizada. El sensor de tensión tipo S se conecta en serie con el extremo fijo del Cable de Acero, requiriendo la mínima modificación para su instalación, siendo la opción preferida para Polipasto Eléctrico y grúas de pequeña capacidad (≤20t). El sensor tipo placa-anillo se instala en la Polea ecualizadora, ofreciendo una alta resistencia a la vibración y a la carga excéntrica, ideal para entornos hostiles en talleres de fundición.
Comparativa de parámetros técnicos de cinco tipos de celdas de carga
A continuación se presenta una comparativa horizontal de cinco tipos de celdas de carga, evaluadas según precisión, rango de medición, método de instalación, condiciones de aplicación y coste. El objetivo es facilitar a los ingenieros una selección preliminar rápida y fundamentada.
| Tipo de sensor | Rango de MediciónAlcance | PrecisiónGrado | Posición de montaje | Aplicacióngrúa | Referencia de costo |
|---|---|---|---|---|---|
| Tipo pasador | 1t~500t | C3~C5 (±0.02%) | eje de la polea/eje del tambor | Puente,Pórtico,Metalúrgica | Medio |
| Tipo compresión(Tipo radio) | 0.5t~200t | C3~C6 (±0.015%) | Estructura del carro/FijoPoleaBajo asiento | Metalúrgicapuente grúa,Fundición | Relativamente alto |
| STracción tipo | 0.1t~50t | C3 (±0.02%) | Cable de AceroFijaciónExtremo/Gancho | Polipasto Eléctrico,Baja capacidad | Bajo |
| Tipo placa-anillo | 1t~100t | C3 (±0.02%) | Polea ecualizadoraPunto | Metalúrgica,Fundición | Medio |
| HidráulicoTipo pasador | 10t~500t+ | ±1%FS | Conexión de presión del cilindro | tonelaje ultragrande,Metalúrgica | Relativamente alto |
Normas de instalación y requisitos de ajuste
La calidad de instalación del sistema de pesaje determina directamente la precisión de medición y la vida útil del equipo. Al instalar el sensor tipo pasador, es imprescindible que el ajuste entre el pasador y el orificio se encuentre dentro de la tolerancia H7/g6; un juego excesivo introduce errores adicionales por momento flector. La superficie del pasador debe recubrirse uniformemente con grasa de disulfuro de molibdeno para evitar el desgaste por micromovimiento que provoca deriva de la señal. Para los sensores de compresión, la planicidad de la base de montaje debe ser ≤0.05 mm/m; los cuatro pernos de fijación se aprietan en tres pasos siguiendo el orden en diagonal hasta alcanzar el par nominal (normalmente 120~150 N·m para pernos M16). Tras el apriete, la deriva del punto cero del sensor debe ser ≤±0.1 mV/V.
En el sensor de tracción tipo S, el eje del grillete de conexión y el del cable de acero deben estar perfectamente alineados; el ángulo de desviación no debe superar ±3°, ya que las fuerzas laterales incrementan el error de no linealidad de la salida entre un 5 y un 10 %. El cable de señal de todos los sensores debe ser de par trenzado apantallado (con la malla conectada a tierra en un solo punto en el lado del indicador). La distancia mínima respecto al cable de alimentación será: ≥200 mm si la corriente del cable de alimentación es ≤50 A; ≥500 mm para corrientes de 50~200 A; y ≥1000 mm para corrientes ≥200 A. El cable de señal no debe tenderse en la misma canaleta que los cables de salida del variador de frecuencia, para evitar interferencias armónicas PWM de alta frecuencia que provoquen fluctuaciones en la lectura.
El ajuste en el indicador comprende dos pasos: calibración del cero y calibración del rango de medición. Para la calibración del cero, se baja el gancho a la posición más baja sin carga y se pulsa la tecla "Cero" para que la pantalla muestre 0. Para la calibración del rango, se eleva un peso estándar (no inferior al 50 % de la carga nominal; se recomienda entre el 80 % y el 100 %) hasta separarlo del suelo, se espera 10 segundos hasta que se estabilice y se introduce el peso real del peso de prueba para completar la calibración. Tras la calibración, debe verificarse en cuatro puntos de carga (20 %, 50 %, 80 % y 100 %); el error en cada punto debe cumplir los requisitos de histéresis correspondientes al grado de precisión aplicable.
Solución de problemas y mantenimiento del sistema de pesaje
El sistema de pesaje opera en condiciones adversas en la grúa, donde el sensor y el indicador están expuestos a vibraciones, suciedad, interferencias electromagnéticas y otros factores. A continuación se presentan los procedimientos de diagnóstico y las soluciones para seis problemas comunes, clasificados según el síntoma observado.
| Síntoma de falla | Causa posible | Método de diagnóstico | Solución |
|---|---|---|---|
| Deriva continua del valor mostrado | SensorAislamientoDescensooCaja de conexionesIngreso de agua | Aplicación500VmegóhmetroMedirSensorAislamiento≥500MΩ | SecadoCaja de conexiones,Reemplazoanillo de sellado,Encapsulado con silicona |
| Lectura fluctuante/Inestable | ElectromagnéticoInterferencia oPuesta a TierraDeficiente | osciloscopioMedir rizado de señal,Comparar con máquina detenida/Estado de operación | cable de señalAñadir núcleo de ferrita,Conexión de blindaje a un solo puntoPuesta a Tierra |
| Salida de cero elevada en vacío | SensorsobrecargaPlasticidadDeformación | Medir si la salida de cero>1mV/V | ReemplazoSensor,VerificarCargaSi excede150%FS |
| Linealidad deficiente con errores grandes en varios puntos | SensorElasticidadTensión residual o carga excéntrica | Cargar punto a punto y medir salida,Trazar curva de linealidad | Re-CalibraciónyajusteInstalaciónalineación de ejes,Reemplazar si es necesarioSensor |
| Visualización del indicador"OL"/"Err" | SensorCircuito abierto oCableDaño | multímetroMedir puenteResistencia350Ω/700Ω | Sección por secciónDetecciónCableContinuidad,Reemplazar sección dañada |
| Aumento de error tras cambio de temperatura | Compensación de temperaturaFalloo galga extensiométricaEnvejecimiento | Medir cero y sensibilidad en cámara de temperaturaCoeficiente | ReemplazoSensoroActualizaciónPara digital con compensación de temperaturaSensor |
Calibración, Verificación y Mantenimiento de Sensores de Grúa
Según la norma GB/T 7551-2008 (equivalente a OIML R60) para celdas de carga, los sistemas de pesaje en grúas utilizados para transacciones comerciales deben someterse a verificación legal obligatoria con un intervalo máximo de 12 meses. Para los sistemas de pesaje destinados a la supervisión de seguridad (protección contra sobrecarga), se recomienda realizar una comprobación funcional y una prueba de carga simulada cada 6 meses. El mantenimiento diario se organiza en tres niveles: en cada turno (8 h), verificar que el indicador vuelva a cero y que el sellado de la caja de conexiones esté intacto; semanalmente, inspeccionar el cable del sensor para detectar daños en el revestimiento exterior y comprobar el apriete de los pernos de montaje; mensualmente, realizar una prueba de carga simulada de rango completo, registrando los valores de salida en cada punto de carga y comparándolos con los datos anteriores. Si la desviación supera ±0.1% FS, se debe recalibrar el sistema.
La fatiga del metal del elemento elástico del sensor es el factor determinante de su vida útil. En condiciones de funcionamiento normales (carga ≤80% FS, aceleración vibratoria ≤2g), la vida útil de diseño de los sensores de galga extensiométrica es de aproximadamente 10⁶ a 10⁷ ciclos de carga. Considerando 300 días de trabajo al año y un promedio de 200 izajes diarios, se puede esperar un uso estable de 8 a 15 años. Sin embargo, en condiciones de carga completa frecuente o carga de impacto, la acumulación de tensiones residuales en el elemento elástico acelera la deriva del cero. Se recomienda desmontar el sensor cada 2 o 3 años para una verificación completa de todos los parámetros en un laboratorio de metrología acreditado. Los sensores digitales, que incorporan compensación de temperatura y algoritmos de linealización, ofrecen una estabilidad a largo plazo aproximadamente un 50% superior a la de los sensores analógicos, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren largos períodos sin recalibración.
Lectura relacionada: Procedimiento de verificación y ajuste de umbrales para limitadores de capacidad en puentes grúa | Diferencias y selección entre limitador de sobrecarga y limitador de momento de carga en grúas | Interpretación de la norma GB/T 12602-2020 sobre dispositivos de protección contra sobrecarga en aparatos de elevación
Preguntas Frecuentes sobre Sensores y Limitadores de Carga
P: ¿Qué sensor tiene mayor precisión, el tipo pasador o el tipo S, y cómo elegir?
R: El sensor tipo pasador ofrece una clase de precisión de C3 a C5 (error combinado ≤±0.02% FS), superior a la clase C3 (±0.02% FS) del sensor tipo S. Sin embargo, la selección no debe basarse únicamente en la precisión: el tipo pasador requiere reemplazar el pasador original, y su precisión de instalación depende del mecanizado y ajuste. El tipo S se integra directamente en el sistema de cable de acero mediante horquillas estándar en U, reduciendo el tiempo de reforma en aproximadamente un 70%. Para instalaciones nuevas o revisiones generales de puentes grúa y grúas pórtico, se recomienda el tipo pasador. Para añadir pesaje a polipastos eléctricos antiguos con un presupuesto limitado, el tipo S es más económico.
P: Las lecturas del sistema de pesaje son inestables y fluctúan. ¿Cómo saber si el sensor está dañado o si es interferencia electromagnética?
R: Utilice un osciloscopio para medir la señal de salida del sensor, comparando la amplitud del rizado con el motor detenido y a plena velocidad. Si la señal es estable cuando está parado (rizado <5mVpp) pero fluctúa bruscamente durante el funcionamiento, es probable que se trate de interferencia PWM del variador de frecuencia. Verifique la distancia entre el cable de señal y el cable de alimentación (debe ser ≥500mm) y que el blindaje esté conectado a tierra en un solo punto en el lado del indicador. Si la señal ya es irregular con el equipo parado, puede deberse a una disminución del aislamiento del puente del sensor (medición con megóhmetro <200MΩ) o a la entrada de agua en la caja de conexiones; en ese caso, desmonte, seque y reemplace los sellos.
P: ¿Cuánto cuesta un sistema de pesaje para grúa? ¿Incluye instalación y calibración?
R: Un sistema de pesaje nacional con sensor tipo pasador (incluyendo sensor + indicador + caja de conexiones) tiene un precio aproximado de 0,8 a 2,5 millones de CNY (aprox. 1.025 a 3.200 EUR) por unidad. Las marcas importadas (HBM/FLINTEC/Vishay) cuestan entre 3 y 8 millones de CNY (aprox. 3.850 a 10.250 EUR) por unidad. La solución con sensor tipo S para polipasto eléctrico ronda los 0,3 a 0,8 millones de CNY (aprox. 385 a 1.025 EUR) por unidad. La instalación y calibración en sitio generalmente se cotizan por separado, con un costo de aproximadamente 2.000 a 5.000 CNY (aprox. 256 a 640 EUR) por puesto de trabajo, según la complejidad. Para sistemas utilizados en transacciones comerciales, se debe añadir la tarifa de verificación del laboratorio de metrología, que suele ser de 1.500 a 3.000 CNY (aprox. 192 a 384 EUR) por verificación. La configuración final depende del contrato.
P: ¿Por qué la deriva del cero en la celda de carga aumenta con los años? ¿Es momento de reemplazarla?
R: El elemento elástico del sensor acumula tensiones residuales y sufre microdeformaciones plásticas bajo cargas cíclicas prolongadas, lo que provoca una deriva progresiva del cero y de la sensibilidad. Según la norma GB/T 7551-2008, si la deriva de la salida en cero supera ±2% FS/año o el coeficiente de temperatura de sensibilidad excede ±0.05% FS/10K, el sensor debe reemplazarse incluso si aún emite señal. En condiciones de trabajo medias para grúas (200 izajes diarios, carga ≤80% FS), el intervalo de reemplazo recomendado para sensores analógicos es de 8 a 12 años. Si el sensor ha superado los 100.000 ciclos de carga y presenta una deriva del cero ≥1mV/V, se recomienda sustituirlo directamente por uno nuevo.
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