Análisis de las razones de las diferencias significativas en los datos de pesaje después de reemplazar y reparar sensores analógicos con el mismo rango de medición

Análisis de las razones de las diferencias significativas en los datos de pesaje después de reemplazar y reparar sensores analógicos con el mismo rango de medición

En la operación y el mantenimiento diarios de los sistemas de pesaje industrial, este tipo de problema se encuentra con frecuencia: después de reemplazar o reparar una célula de carga analógica, incluso si su rango nominal es el mismo que el del sensor original, el resultado del pesaje aún se desvía significativamente. En algunos casos, el error incluso excede el rango permisible normal, lo que afecta seriamente la precisión de la medición de la producción.

Este fenómeno parece simple, pero de hecho está estrechamente relacionado con las sutiles diferencias en el proceso de fabricación, el control de los parámetros de rendimiento y los requisitos de las normas nacionales de las células de carga analógicas. Este artículo, en combinación con la norma nacional china GB/T 7551-2019 Células de carga, parte de los requisitos de fabricación de los parámetros de rendimiento principales de las células de carga, y analiza las razones más profundas de la desviación de los datos incluso cuando los rangos son idénticos.

1. Requisitos de fabricación para los parámetros de rendimiento principales de las células de carga analógicas en las normas nacionales

La norma GB/T 7551-2019 Células de carga, como la norma principal para la producción y las pruebas de células de carga analógicas en China, especifica claramente los requisitos de precisión de fabricación para múltiples parámetros de rendimiento clave de las células de carga con el mismo rango. Estos parámetros determinan directamente la precisión del pesaje de la célula de carga, y también son la fuente clave de las diferencias de datos posteriores.

Entre ellos, los parámetros más estrechamente relacionados con la desviación de los datos incluyen principalmente las siguientes cuatro categorías:

(1) Sensibilidad y coeficiente de temperatura de la sensibilidad

La sensibilidad es uno de los indicadores principales de las células de carga analógicas. Se refiere al cambio en la señal de salida del sensor bajo la carga nominal (es decir, el límite superior de la escala completa).

Según la norma, la sensibilidad típica de las células de carga analógicas es generalmente
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V(u otros valores nominales fijos con pequeñas desviaciones permitidas).

Al mismo tiempo, la norma también especifica el límite del coeficiente de temperatura de la sensibilidad:
Dentro del rango de temperatura de funcionamiento de −10°C a +40°C, la variación de la sensibilidad con la temperatura debe ser ≤ 0,002% FS/°C(FS = escala completa).

Esto significa que incluso si dos células de carga tienen el mismo rango nominal, pequeñas diferencias en los valores de sensibilidad (por ejemplo, una es 2,01 mV/V y la otra es 1,99 mV/V) o el incumplimiento del coeficiente de temperatura de la sensibilidad conducirán a diferentes señales de salida analógicas (voltaje/corriente) bajo la misma carga, lo que finalmente se convertirá en desviaciones en los datos de pesaje.

(2) Error de no linealidad

El error de no linealidad se refiere a la desviación máxima entre la relación real de la señal de salida del sensor y la carga, y la relación lineal ideal.

La norma nacional requiere:

• Para las células de carga analógicas, el error de no linealidad debe ser ≤ 0,02% FS(Clase C), o

• ≤ 0,01% FS(Clase B).

Para las células de carga con el mismo rango, pueden surgir diferencias en la no linealidad debido a variaciones en los procesos de fabricación, tales como:

• Precisión de mecanizado del elemento elástico

• Uniformidad de la planitud y el grosor del área del medidor de tensión

• Desviaciones en la posición de unión del medidor de tensión

Por ejemplo:
La célula de carga original tiene un error de no linealidad de 0,01% FS, mientras que la reemplazada tiene 0,018% FS.
A una carga cercana a la capacidad total (por ejemplo, una célula de carga de 100 kg cargada con 90 kg), la diferencia de señal de salida puede alcanzar:
[(0,018% − 0,01%) × 100 kg = 0,008 kg]

Si el rango es mayor (por ejemplo, 1000 kg), la desviación se expandirá aún más a:
[(0,018% − 0,01%) × 1000 kg = 0,08 kg]

Esto ya es suficiente para afectar significativamente la precisión del pesaje.

(3) Error de histéresis

El error de histéresis se refiere a la diferencia máxima en la señal de salida de una célula de carga bajo la misma carga durante los procesos de carga y descarga.

Según la norma nacional, el error de histéresis debe ser:
≤ 0,02% FS(Clase C) o
≤ 0,01% FS(Clase B).

Este error se origina principalmente en las propiedades del material del elemento elástico de la célula de carga (como las características de histéresis mecánica) y las inconsistencias en las propiedades de unión del medidor de tensión. Si la estructura elástica utiliza diferentes lotes de materiales de aleación, o las características de curado del adhesivo de unión para los medidores de tensión son inconsistentes, los errores de histéresis diferirán de los del sensor original.

Por ejemplo, en aplicaciones frecuentes de carga-descarga (como el pesaje dinámico de transportadores):

• La célula de carga original emite 1,000 mV a 50 kg de carga, y 0,999 mV a 50 kg de descarga, lo que resulta en un error de histéresis de 0,001 mV.

• La célula de carga de reemplazo emite 1,000 mV a 50 kg de carga, y 0,997 mV a 50 kg de descarga, lo que resulta en un error de histéresis de 0,003 mV.

Durante la operación a largo plazo, esto conducirá a desviaciones de repetibilidad en los datos de pesaje.

(4) Deriva cero y coeficiente de temperatura cero

La deriva cero se refiere a la variación en la señal de salida de la célula de carga a lo largo del tiempo en la condición sin carga (cero).
El coeficiente de temperatura cero indica la magnitud de la variación del punto cero con los cambios de temperatura.

Según la norma nacional, el coeficiente de temperatura cero debe ser ≤ 0,002% FS/°C.

La estabilidad cero de las células de carga analógicas depende en gran medida de la estabilidad de la temperatura del medidor de tensión y del diseño de compensación del circuito. Si la nueva célula de carga no se somete a una compensación de temperatura suficiente durante la producción (por ejemplo, desviación en la selección de los valores de la resistencia de compensación), o si la sensibilidad a la temperatura del medidor de tensión difiere de la del sensor original, los cambios de temperatura ambiental (como las diferencias de temperatura día-noche o los efectos térmicos del funcionamiento del equipo) causarán desviaciones significativas en la salida del punto cero.

Por ejemplo:

• La célula de carga original emite 0,000 mV a 20°C sin carga, y 0,001 mV a 30°C.

• La célula de carga de reemplazo emite 0,000 mV a 20°C, y 0,003 mV a 30°C.

Un cambio de temperatura de solo 10°C resulta en una deriva de señal de 0,002 mV, que, cuando se convierte en datos de peso, puede hacer que la báscula muestre un valor positivo o negativo a carga cero, lo que afecta seriamente los resultados reales del pesaje.

2. Escenarios prácticos y análisis de causas de las desviaciones de datos a pesar del mismo rango nominal

Incluso si el rango nominal de la célula de carga de reemplazo es idéntico al de la original, durante el reemplazo y el mantenimiento reales, las sutiles diferencias en los parámetros estándar anteriores se amplificarán a través de toda la cadena de
adquisición de señal → transmisión → procesamiento,
y, en última instancia, aparecerán como desviaciones significativas en los datos de pesaje.

Basado en los escenarios reales de operación y mantenimiento, las causas específicas se pueden clasificar en las siguientes tres categorías:

**(I) Variaciones en el proceso de producción: "Diferencias de rendimiento ocultas" en los sensores del mismo rango**

Las normas nacionales especifican los rangos permisibles para los parámetros de rendimiento, pero no requieren que los parámetros de los sensores con el mismo rango sean idénticos. Siempre que estén dentro de los límites, los sensores de diferentes fabricantes o lotes aún pueden tener pequeñas diferencias, que se exponen directamente después del reemplazo.

Por ejemplo, una fábrica utiliza un sensor analógico de 100 kg (Clase C). El sensor original del Fabricante A tiene una sensibilidad de 2,005 mV/V, un error de no linealidad de 0,012% FS y un coeficiente de temperatura cero de 0,0015% FS/°C. El sensor recién reemplazado del Fabricante B tiene una sensibilidad de 1,995 mV/V, un error de no linealidad de 0,018% FS y un coeficiente de temperatura cero de 0,0018% FS/°C. Desde una perspectiva de normas, ambos cumplen con los requisitos de la Clase C. Sin embargo, en la aplicación práctica:

* Cuando se aplica una carga de 50 kg, la señal de salida del sensor original es (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Voltaje de excitación (típicamente 10 V) = 1,0025 mV. La salida del nuevo sensor es (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10 V = 0,9975 mV. La diferencia de sensibilidad por sí sola causa una desviación de señal de 0,005 mV, que corresponde a una desviación de datos de peso de 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10 V / 100 kg) = 0,025 kg.
* Si la temperatura ambiente aumenta de 20°C a 30°C, la deriva cero del sensor original es 0,0015% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,15 kg, mientras que para el nuevo sensor es 0,0018% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,18 kg. El cambio de temperatura agrega otros 0,03 kg de desviación. La desviación total combinada alcanza los 0,055 kg. Si se usa para el envasado de alimentos (por ejemplo, se requiere una precisión de ±0,05 kg), esto causaría directamente que los productos tengan sobrepeso o bajo peso.

Además, algunos fabricantes más pequeños, para reducir los costos, podrían no calibrar estrictamente los parámetros de acuerdo con las normas nacionales. Por ejemplo, la desviación de sensibilidad real podría alcanzar los 0,05 mV/V (excediendo el requisito estándar de ±0,02 mV/V), sin embargo, el sensor todavía está etiquetado como "rango de 100 kg". Las diferencias de datos después de reemplazar con tales sensores serían aún más pronunciadas.

**(II) Procesos de instalación y calibración: No cumplir con los "Requisitos de adaptación de señal" del sistema original**

La precisión de los datos de los sensores analógicos depende no solo de su propio rendimiento, sino que también está estrechamente relacionada con el método de instalación y la calibración del sistema. Incluso si los parámetros de un sensor de reemplazo cumplen con las normas nacionales, no operar de acuerdo con los requisitos de adaptación del sistema original durante el reemplazo puede conducir a desviaciones de datos.

1. **Desviación de la posición de instalación y el estado de la carga**
La señal de salida de un sensor analógico está directamente relacionada con la dirección de la fuerza y la planitud de la instalación. Las normas nacionales requieren que durante la instalación del sensor, la carga debe actuar verticalmente sobre el centro del elemento elástico, y el error de planitud de la superficie de montaje debe ser ≤ 0,1 mm/m. Si el sensor de reemplazo se instala con un desplazamiento posicional (por ejemplo, un desplazamiento de 5 mm de la posición central original) o si la superficie de montaje no está nivelada (por ejemplo, tiene una inclinación de 0,2 mm/m), la fuerza real sobre el sensor no se alineará con la "dirección de carga nominal" de su rango nominal. Por ejemplo, un sensor de 100 kg podría experimentar 98 kg de carga vertical, pero también soportar una fuerza lateral adicional de 2 kg, lo que hace que la señal de salida sea más baja de lo normal, lo que se manifiesta como una "desviación de los datos de pesaje".
Además, en escenarios que involucran múltiples conjuntos de sensores (por ejemplo, en vehículos, tolvas), las normas nacionales requieren que la desviación de uniformidad de la distribución de la carga entre los sensores sea ≤ 1% FS. Si, al reemplazar un sensor, su altura no se ajusta (por ejemplo, creando una diferencia de altura que excede los 0,5 mm en comparación con otros sensores), la carga puede concentrarse en los otros sensores, dejando el nuevo sensor con poca carga. Esto da como resultado que los datos de pesaje generales sean más bajos de lo esperado.

**2. No realizar la recalibración del sistema**

La señal de un sensor analógico debe someterse a "amplificación - filtrado - conversión analógica a digital" mediante un instrumento antes de que pueda convertirse en datos de pesaje. Las normas nacionales requieren que un sistema de pesaje analógico debe someterse a una "calibración del sistema" después de reemplazar un sensor. Esto implica cargar pesos estándar y ajustar el factor de amplificación y el valor de compensación del punto cero del instrumento para que coincidan con la señal de salida del sensor con el peso estándar.

Si no se realiza la calibración después del reemplazo, y el instrumento continúa utilizando los parámetros del sensor original (por ejemplo, la sensibilidad del sensor original de 2,005 mV/V frente a la del nuevo sensor de 1,995 mV/V), el peso calculado por el instrumento se desviará. Por ejemplo, cuando se carga un peso estándar de 50 kg, el nuevo sensor emite 0,9975 mV (como en el caso anterior), pero si el instrumento aún calcula en función de la sensibilidad de 2,005 mV/V, el peso resultante es 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, que difiere de los 50 kg reales en 0,25 kg, una desviación que excede con creces el rango permisible estándar.

Algunos usuarios creen erróneamente que "los sensores con el mismo rango se pueden reemplazar directamente" y pasan por alto el paso de calibración del sistema, que es una causa común de discrepancias de datos.

**(III) Envejecimiento y desgaste: "Diferencias de deterioro del rendimiento" entre sensores viejos y nuevos**

Después de un uso a largo plazo, los sensores analógicos experimentan cambios en los parámetros de rendimiento desde su estado inicial debido al envejecimiento y el desgaste. Los nuevos sensores están en su "estado de rendimiento inicial". Incluso si el rango es el mismo, las diferencias de parámetros entre los sensores viejos y nuevos pueden conducir a desviaciones de datos, un fenómeno particularmente evidente al reemplazar sensores que han estado en uso durante más de 5 años.

Según las normas nacionales, la vida útil típica de un sensor analógico es de 10 años. Sin embargo, el deterioro del rendimiento se acelera en entornos hostiles (por ejemplo, alta temperatura, humedad, polvo):
* El elemento elástico puede sufrir "deformación plástica" bajo carga a largo plazo, lo que lleva a una disminución de la sensibilidad (por ejemplo, de 2,0 mV/V a 1,98 mV/V).
* El envejecimiento de la capa de unión del medidor de tensión puede aumentar el error de histéresis (por ejemplo, de 0,01% FS a 0,03% FS).
* La oxidación de las resistencias de compensación en el circuito puede exacerbar la deriva cero (por ejemplo, de 0,001 mV/h a 0,005 mV/h).

Cuando se instala un nuevo sensor, sus parámetros cumplen con los "requisitos iniciales" de la norma nacional (por ejemplo, sensibilidad 2,005 mV/V, error de histéresis 0,012% FS). Sin embargo, el instrumento del sistema puede haberse adaptado a los "parámetros deteriorados" del sensor antiguo (por ejemplo, calculando en función de una sensibilidad efectiva de 1,98 mV/V). Si no se recalibra, la señal de salida del nuevo sensor se "sobreamplificará" mediante el instrumento, lo que se manifiesta como "datos de pesaje más pesados". Por ejemplo, bajo una carga de 50 kg, el nuevo sensor emite 1,0025 mV. Si el instrumento calcula utilizando la sensibilidad del sensor antiguo de 1,98 mV/V, el peso resultante es 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 50,63 kg, que difiere de los 50 kg reales en 0,63 kg.

**III. Soluciones: Reducción de las discrepancias de datos mediante el cumplimiento de las normas y la optimización operativa**

Para evitar discrepancias de datos después de reemplazar sensores analógicos del mismo rango durante el mantenimiento, es esencial gestionar todo el proceso desde la "selección - instalación - calibración", adhiriéndose estrictamente a los requisitos de las normas nacionales mientras se optimizan las operaciones en función del escenario de aplicación real:

**(I) Selección: Priorizar los productos compatibles con parámetros coincidentes**

* Durante el reemplazo, se debe dar prioridad a los productos del "mismo fabricante y el mismo modelo" que el sensor original para garantizar que los parámetros como la sensibilidad, el error de no linealidad y los coeficientes de temperatura sean consistentes (desviación ≤ 0,01 mV/V o 0,005% FS).
* Si el mismo modelo no está disponible, es necesario solicitar informes de prueba de parámetros del fabricante que cumplan con "GB/T 7551-2019", centrándose en la verificación de indicadores clave como la sensibilidad, el error de no linealidad y el coeficiente de temperatura cero, asegurando que las desviaciones se minimicen (por ejemplo, desviación de sensibilidad ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Instalación: Adherirse estrictamente a los requisitos estándar para garantizar una distribución uniforme de la carga**

* Antes de la instalación, verifique la planitud de la superficie de montaje (use un nivel para asegurar un error ≤ 0,1 mm/m). Durante la instalación, asegúrese de que la fuerza actúe verticalmente sobre el sensor, evitando fuerzas laterales.
* Para conjuntos de múltiples sensores, use medidores de altura para ajustar la diferencia de altura entre los sensores a ≤ 0,2 mm, asegurando una distribución uniforme de la carga.

**(III) Calibración: La calibración del sistema es obligatoria después del reemplazo**

* De acuerdo con la norma nacional "GB/T 14249.1-2008 Instrumentos de pesaje - Requisitos técnicos generales", después de reemplazar un sensor analógico, se debe realizar una "calibración multipunto" utilizando pesos estándar (clase de precisión no inferior a M1), incluyendo al menos cinco puntos: cero, 25% FS, 50% FS, 75% FS y 100% FS.
* Ajuste el factor de amplificación y la compensación del punto cero a través del instrumento para que el error de los datos de pesaje en cada punto de calibración esté dentro del rango permitido por la norma nacional (por ejemplo, para instrumentos de Clase III, el error permitido es ≤ 0,1%).

**IV. Resumen**

La aparición de discrepancias en los datos de pesaje después de reemplazar sensores analógicos del mismo rango se debe esencialmente al conflicto entre las "desviaciones de parámetros permitidas por las normas nacionales" y los "requisitos de precisión de los escenarios de aplicación práctica", junto con las omisiones operativas en la instalación y la calibración.

Aunque "GB/T 7551-2019" proporciona un marco compatible para la producción de sensores, no elimina las sutiles variaciones de rendimiento entre los productos del mismo rango. Estas variaciones se amplifican en la práctica a través de la cadena de procesamiento de señales, lo que finalmente afecta la precisión del pesaje.