Celda de carga: qué es, cómo funciona, tipos, clase de exactitud y la celda de la máquina de ensayo

La celda de carga es el sensor electromecánico (transductor de fuerza) que convierte una fuerza o un peso en una señal eléctrica: la fuerza deforma un cuerpo metálico, las galgas extensiométricas (strain gauges) adheridas a él cambian de resistencia y un puente de Wheatstone entrega un voltaje proporcional, típicamente 2 mV por volt de excitación a la capacidad nominal. Alimentada con 10 V, la celda entrega 20 mV a la capacidad nominal y 12 mV al 60 % de ella. Es la celda la que pesa en la báscula, mide el llenado del silo y, en la máquina universal de ensayos, registra la fuerza en cada punto de la curva. Este artículo explica el principio, los tipos, la hoja de datos y la conexión, y después trata lo que la búsqueda común no cubre: la celda de la máquina de ensayos, la clase según ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil), el intervalo verificado y la elección de la capacidad.

En resumen:

• Señal: V = S · V_exc · F / F_nom, donde S es la sensibilidad en mV/V. Con 2 mV/V y 10 V, la capacidad nominal da 20 mV.
• Tipos: se eligen por la dirección de la fuerza, la capacidad y el espacio: S para tracción y compresión en línea, columna para compresión alta, pancake para poca altura, single point y viga para pesaje.
• En la máquina de ensayos: la clase 1 de ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil) es del sistema de medición de fuerza de la máquina, no de la celda: limita el error relativo de indicación a ±1 % de la fuerza, solo dentro del intervalo verificado, que tiene un límite inferior, y no incluye la incertidumbre de la calibración.

Qué es una celda de carga y para qué sirve

La celda de carga es un transductor de fuerza: recibe una magnitud mecánica y devuelve una eléctrica, proporcional a ella. En inglés, el nombre es load cell; en el comercio, también aparece como sensor de peso o sensor de fuerza. La construcción más común, que trata este artículo, tiene dos partes. La primera es el elemento elástico, un bloque de acero aleado, acero inoxidable o aluminio maquinado para que la fuerza produzca una deformación medible en un punto elegido. La segunda son las galgas extensiométricas de resistencia (strain gauges), rejillas metálicas delgadas adheridas exactamente en ese punto, cuya resistencia eléctrica cambia cuando el metal bajo ellas se alarga o se acorta.

Existen celdas de otros principios. La hidráulica mide la presión de un fluido confinado bajo un pistón y no tiene parte eléctrica, lo que la favorece en áreas clasificadas; la neumática equilibra la fuerza con presión de aire; la de cuerda vibrante lee el cambio de frecuencia de un hilo tensado; la piezoeléctrica genera carga eléctrica bajo fuerza y sirve para la medición dinámica, porque la señal decae cuando la fuerza se mantiene constante. La extensométrica domina la industria y el laboratorio por la combinación de costo, exactitud y estabilidad, y de ella trata el resto del artículo.

El elemento elástico trabaja siempre en el régimen elástico: la deformación desaparece cuando se retira la fuerza, como explica el artículo sobre deformación elástica. En ese régimen se cumple la ley de Hooke, y la deformación en el punto de las galgas es proporcional a la fuerza. Es esa proporcionalidad la que convierte la señal de la celda en una medida de fuerza. El diseño del elemento fija la deformación a la capacidad nominal en cerca de 1,000 µm/m (0.1 %), lejos de la fluencia del metal, para que la celda regrese a cero después de cada carga.

La función es siempre la misma: medir fuerza o peso y entregar una señal a un indicador, un PLC o un software. Lo que cambia es el lugar: básculas de mesa y básculas camioneras, silos y tanques, dosificadoras y envasadoras, pesaje a bordo en camiones y maquinaria agrícola, limitadores de carga de grúas y puentes grúa, equipos médicos, prensas, bancos de prueba y máquinas universales de ensayos. Dos fechas sitúan la tecnología: el puente usado en la lectura fue divulgado por Charles Wheatstone en 1843, y la galga extensiométrica de resistencia adherida fue creada en 1938, de forma independiente, por Edward Simmons, en el Caltech, y Arthur Ruge, en el MIT.

Cómo funciona: galga extensiométrica, puente de Wheatstone y señal en mV/V

Una celda de carga funciona en tres pasos: la deformación cambia la resistencia de la galga, el puente transforma ese cambio en voltaje, y el voltaje se lee por volt de alimentación. Cada paso tiene una cuenta sencilla, y juntas explican el número que aparece en toda hoja de datos: el mV/V.

La galga extensiométrica: ΔR/R = k · ε

Cuando la rejilla metálica de la galga se estira, los hilos quedan más largos y más delgados, y la resistencia sube; cuando se comprime, la resistencia baja. La relación es lineal: ΔR/R = k · ε, donde ε es la deformación unitaria (m/m) y k es el factor de galga, adimensional, cercano a 2 en las aleaciones metálicas usuales. Con ε = 1,000 µm/m y k = 2, la resistencia varía 0.2 %. En una galga de 350 Ω, eso equivale a 0.7 Ω. Una variación tan pequeña no se mide bien con un óhmetro común, y por eso la celda usa un puente.

El puente de Wheatstone completo

El puente de Wheatstone tiene cuatro resistores conectados en rombo. Dos vértices opuestos reciben el voltaje de alimentación, llamado excitación (+EXC y −EXC); los otros dos son la salida (+SIG y −SIG). Con los cuatro resistores iguales, el puente queda equilibrado y la salida es cero. En la celda de carga, los cuatro resistores son galgas activas: dos están en una región a tracción y dos en una región a compresión, conectadas de modo que las del mismo signo ocupen brazos opuestos. Así los cuatro efectos se suman en lugar de cancelarse, y la salida vale aproximadamente:

V_salida / V_exc ≈ k · ε

El esquema de abajo muestra el arreglo en una viga empotrada, la geometría más fácil de visualizar. La fuerza en el extremo libre somete a tracción la cara superior, donde están R1 y R3, y comprime la cara inferior, donde están R2 y R4. En el puente, R1 y R3 ocupan brazos opuestos, y R2 y R4 los otros dos; la cuenta de abajo muestra de dónde sale el valor de 2 mV/V.

El puente completo tiene una segunda ventaja, tan importante como la sensibilidad: la compensación de temperatura. Si la celda se calienta, las cuatro galgas cambian de resistencia en la misma proporción, y el puente sigue equilibrado. Lo que desequilibra el puente es solo la diferencia entre brazos, que viene de la fuerza. Resistores adicionales, ajustados en fábrica, corrigen el cero, la deriva térmica del cero y la de la sensibilidad.

El puente también indica el sentido de la fuerza. Cuando la fuerza pasa de tracción a compresión, las galgas a tracción pasan a estar comprimidas y viceversa, y la salida cambia de polaridad: la misma celda lee los dos sentidos, con signo positivo en uno y negativo en el otro. Esto es lo que permite que una celda en S o pancake mida tracción y compresión en el mismo montaje.

Por qué el mercado habla de 2 mV/V

La sensibilidad de una celda es la salida a la capacidad nominal dividida entre el voltaje de excitación, en mV/V. Con k ≈ 2 y el elemento diseñado para ε ≈ 1,000 µm/m a la capacidad, el puente da k · ε = 2 × 0.001 = 0.002 V/V, o 2 mV/V. Por eso este valor aparece en tantas hojas de datos, como la de la celda en S HBM S9M. En las celdas de columna, dos galgas quedan en la dirección de la fuerza y dos en la transversal, donde la deformación es solo la de Poisson (ν · ε); la salida baja a k · ε · (1 + ν) / 2, y el diseño lo compensa con más deformación axial.

Como la salida es proporcional a la excitación, la señal a una fuerza cualquiera es V = S · V_exc · F / F_nom. La tabla muestra la señal de una celda de 2 mV/V con las dos excitaciones más comunes. Deja claro que la celda entrega pocos milivolts: al 10 % de la capacidad, con 5 V, son 1.0 mV.

Fuerza, en % de la capacidad	Excitación de 5 V	Excitación de 10 V
10 %	1.0 mV	2.0 mV
20 %	2.0 mV	4.0 mV
60 %	6.0 mV	12.0 mV
100 %	10.0 mV	20.0 mV
150 % (carga límite típica)	15.0 mV	30.0 mV

De ahí salen dos consecuencias prácticas. Primera, la señal cambia junto con la excitación: si la fuente varía 1 %, la lectura varía 1 %, y por eso la excitación debe ser estable y, en cables largos, medirse en la propia celda, como se verá en la sección de conexión. Segunda, las señales de milivolts son sensibles al ruido eléctrico, lo que hace obligatorios el cable blindado, la conexión a tierra correcta y un amplificador de buena calidad.

Tipos de celda de carga

Los tipos de celda de carga se diferencian por la geometría del elemento elástico; el principio eléctrico es el mismo en todos. Cada geometría concentra la deformación de una manera y sirve para una dirección de fuerza, un intervalo de capacidad y un espacio de montaje. En la foto, tres celdas de carga comunes: a la izquierda, la celda en S, que trabaja a tracción y compresión por los barrenos roscados de los extremos; en el centro, la celda de compresión con botón abombado, que recibe la carga en la parte superior; a la derecha, la celda pancake, fijada con tornillos en el borde y cargada por el barreno central.

Los tipos más usados son estos:

• S (y Z): cuerpo en forma de S con roscas en los dos extremos. La fuerza entra en línea por una rosca y sale por la otra, a tracción o compresión; es la celda de carga de tracción más común. Aparece en básculas colgantes, conversión de básculas mecánicas, bancos de prueba y máquinas de ensayo de baja capacidad. Fabricantes brasileños ofrecen de 5 a 5,000 kg; la HBM S9M va de 500 N a 50 kN.
• Columna (compresión): cilindro cargado en el eje, en general mediante un botón abombado que centra la fuerza. Mide sobre todo compresión y llega a cientos de toneladas: báscula camionera, silo, prensa. En la versión oscilante (rocker column), los extremos abombados hacen que la columna vuelva a plomo cuando la plataforma se desplaza; en la versión canister, el cuerpo viene encapsulado en acero inoxidable, hermético.
• Pancake: disco bajo, fijado por el borde y cargado en el centro, a tracción y compresión. Resuelve una capacidad alta en poca altura y es común en máquinas de ensayo y prensas. La versión hueca en el centro, llamada donut, mide la fuerza en tornillos y tirantes que pasan a través de ella.
• Single point: bloque de aluminio con orificio binocular, compensado para que la lectura no dependa de dónde cae la carga en el plato. Es la celda de la báscula de mesa y de la envasadora, típicamente de 5 a 500 kg.
• Viga: viga empotrada en un extremo y cargada en el otro. En la de flexión (bending beam), las galgas leen la flexión; en la de cortante (shear beam, simple o doble), se colocan a 45° del eje de la carga, en un alma rebajada, y leen el cortante, lo que hace la lectura menos sensible a la posición de la carga. Básculas de plataforma, tanques y silos usan vigas de 250 kg a decenas de toneladas.
• Perno de carga (load pin): eje instrumentado que sustituye el perno de una articulación, en grúas, poleas, grilletes y motones. Mide la fuerza que atraviesa el perno, por cortante, sin agregar piezas a la estructura.
• Botón: minicilindro de compresión para espacios pequeños, montado dentro de dispositivos.

El esquema de abajo compara cinco de esas geometrías lado a lado, con la flecha naranja en la dirección de la fuerza que mide cada una: en las dos que trabajan a tracción y compresión (S y pancake), las flechas apuntan en los dos sentidos; en las de pesaje (single point y viga), la fuerza es vertical y hacia abajo.

La tabla resume dónde aparece cada tipo. Los intervalos de capacidad provienen de catálogos de fabricantes y sirven como orden de magnitud:

Tipo	Fuerza medida	Intervalo típico	Dónde aparece
S y Z	tracción y compresión	5 a 5,000 kg	báscula colgante, banco de prueba, máquina de ensayo
Columna	compresión	hasta cientos de t	báscula camionera, silo, prensa
Pancake y donut	tracción y compresión	alta, en poca altura	máquina de ensayo, prensa, tirante
Single point	compresión (peso)	5 a 500 kg	báscula de mesa, envasadora
Viga (flexión y cortante)	compresión (peso)	250 kg a 50 t	plataforma, tanque, silo

En la máquina universal de ensayos, la celda está en serie con la probeta de ensayo, entre el travesaño y la mordaza o el plato, y debe medir en los dos sentidos, porque la misma máquina hace tracción y compresión. Por eso las geometrías usadas ahí son la S, en las capacidades bajas, y la pancake o la columna de tracción y compresión, en las altas. La celda de báscula, single point o viga, no sirve para ese uso.

Especificaciones de la celda de carga: cómo leer la hoja de datos

La hoja de datos (datasheet) traduce la calidad de la celda en números, y casi todos se dan en porcentaje de la escala completa (fondo de escala, FS, del inglés full scale), es decir, de la salida a la capacidad nominal. Esto importa: 0.02 % FS en una celda de 10 kN son 2 N, ya sea que la fuerza medida sea de 10 kN o de 500 N. Los datos que deciden la elección son estos:

• Capacidad nominal (E_max): la mayor fuerza para la que se especifica la celda. Va de gramos a cientos de toneladas.
• Sensibilidad y su tolerancia: la salida en mV/V a la capacidad, en general 2 mV/V, y cuánto se aleja la celda real del valor nominal. El valor exacto viene en el certificado de cada celda, y es el que se usa para ajustar el indicador.
• No linealidad: la mayor desviación entre la curva real de carga y la recta que une el cero con la capacidad, en % FS.
• Histéresis: la diferencia entre la lectura al subir la carga y la lectura al bajarla, en el mismo punto, en % FS. Pesa en ensayos con descarga, como los ciclos de carga y descarga del módulo de elasticidad.
• Repetibilidad: la dispersión entre lecturas de la misma fuerza, repetidas en las mismas condiciones.
• Creep (fluencia lenta): la deriva de la señal con fuerza constante, medida en general en 30 minutos. Importa en ensayos largos, como los de fluencia lenta (creep) y relajación.
• Efecto de la temperatura en el cero y en la sensibilidad, en % por cada 10 K, y el rango de temperatura compensado.
• Carga límite y carga de ruptura: la carga límite es la mayor fuerza que la celda soporta sin perder la calibración; la de ruptura es la falla mecánica. HBM declara 150 % y 300 % de la capacidad en la celda Z6.
• Resistencia de entrada y excitación: 350 Ω es el valor de puente más común; la excitación recomendada está entre 5 y 10 V, con un máximo de 15 V en la Z6.
• Grado de protección (IP) y sellado: de IP65 a IP69K en los catálogos. El sellado con resina o epóxico protege de la humedad común; el hermético, con cuerpo de acero inoxidable soldado (IP68 o más), es el de lavado y ambientes agresivos. Para atmósferas explosivas existen versiones certificadas para áreas clasificadas (ATEX en Europa; en Brasil, certificación Ex en el marco del Inmetro, el instituto brasileño de metrología).

La tabla reúne los valores típicos citados, con la fuente de cada uno:

Especificación	Valor típico	Fuente
Sensibilidad nominal	2 mV/V	HBM S9M
Exactitud de celdas de galgas extensométricas	0.25 % a 0.03 % FS	Omega
Carga límite / de ruptura	150 % / 300 % de Emax	HBM Z6
Resistencia de entrada	350 Ω	HBM Z6; Interface
Excitación	5 a 10 V (máx. 15 V)	HBM Z6
Creep de celda C3 en 30 min	0.0245 % de la salida nominal	OIML R 60

La hoja de datos también incluye una clase de exactitud, y aquí está la mayor confusión del área: existen tres sistemas de clases distintos, para tres objetos distintos. La sección "Cómo interpretar" vuelve a este punto con detalle.

Cómo conectar una celda de carga: 4 hilos, 6 hilos y acondicionador

Una celda de carga se conecta al indicador con 4 o 6 hilos, y la elección depende de la longitud del cable. La celda de 4 hilos tiene dos de excitación (+EXC y −EXC) y dos de señal (+SIG y −SIG). Un código de colores frecuente, usado por Interface, es rojo para +EXC, negro para −EXC, blanco para +SIG y verde para −SIG, pero no existe un estándar universal: la conexión correcta es la del certificado o de la hoja de datos de la propia celda. Una malla de blindaje suele acompañar al cable y se conecta a tierra del lado del instrumento.

El problema de los 4 hilos es el cable. La excitación llega al puente después de atravesar dos conductores con resistencia, y parte del voltaje se pierde en el camino. Como la salida es proporcional a la excitación que llega al puente, la celda entrega menos señal que la calibrada. Interface estima la pérdida en cerca de 0.37 % de la sensibilidad por cada 10 pies (cerca de 3 m) de cable 28 AWG. La resistencia del cobre también cambia con la temperatura, y la pérdida varía a lo largo del día.

La celda de 6 hilos resuelve esto con dos conductores más, +SEN y −SEN (sense), conectados a la excitación junto al puente. Por ellos no pasa una corriente relevante, así que miden el voltaje que realmente llega a la celda, y el acondicionador corrige la excitación o la lectura. La caída en el cable deja de importar, incluida su variación con la temperatura. La regla que se deriva de esto:

• En una celda de 4 hilos, el fabricante compensa el conjunto con el cable de fábrica. No corte ni empalme ese cable: su longitud forma parte de la calibración.
• Con cable largo, o cuando la celda debe instalarse lejos del instrumento, use 6 hilos con sense. Massload sugiere 6 hilos a partir de unos 20 m de cable.

Las básculas de plataforma, tanques y silos usan tres o cuatro celdas bajo la misma estructura, conectadas en paralelo en una caja de conexiones (caja sumadora) y leídas como una sola celda. Como cada celda tiene una sensibilidad ligeramente distinta, la caja tiene ajustes para igualar las salidas; sin ese ajuste, la misma masa da lecturas diferentes según la esquina de la plataforma donde se coloque, el llamado error de esquina. En la máquina universal de ensayos no existe ese arreglo: la fuerza pasa por una celda única, en serie con la probeta.

El acondicionador, o amplificador, completa la cadena: suministra la excitación estable, amplifica los milivolts hasta el rango del convertidor analógico-digital, filtra el ruido y aplica el cero (tara) y el factor de calibración. En prototipos con Arduino, ese papel suele cumplirlo un módulo HX711, un convertidor de 24 bits con amplificador integrado; resuelve una báscula sencilla, pero no tiene la estabilidad ni la trazabilidad de un acondicionador industrial. En la máquina universal de ensayos, esa función está en la electrónica de adquisición, que entrega la fuerza al software junto con el desplazamiento del travesaño y, cuando lo hay, la deformación leída por el extensómetro.

La celda de carga en la máquina universal de ensayos

La celda de carga de la máquina universal de ensayos es el eslabón de fuerza de todo lo que se calcula. La resistencia a la tracción es F_máx / S₀, el límite de fluencia sale de una fuerza leída en la meseta o en la desviación de la recta, y cada punto del diagrama esfuerzo-deformación es una fuerza de la celda dividida entre el área de la probeta. Un error de 2 % en la fuerza se convierte en un error de 2 % en la resistencia a la tracción, sin que nada en la curva lo delate.

Por eso las normas de ensayo no se conforman con la especificación de la celda: exigen que se verifique el sistema de medición de fuerza de la máquina. En Brasil, el documento es la ABNT NBR ISO 7500-1:2023, adopción de la ISO 7500-1:2018. Esta norma especifica la calibración y la verificación de las máquinas de tracción y compresión y asigna una clase a cada rango de fuerza. Lo que se verifica es el conjunto (celda, cable, electrónica, software y el propio indicador), montado en la máquina, y no la celda aislada. La verificación tiene tres partes (sección 1 y Anexo A de la norma): la inspección general de la máquina y de los accesorios que aplican la fuerza, la calibración del sistema de medición de fuerza y la confirmación de que los resultados caben dentro de los límites de la clase.

Cómo se hace la verificación

Un instrumento patrón de fuerza, en general una celda de referencia o un anillo dinamométrico, se monta en la máquina en lugar de la probeta. La máquina aplica fuerzas crecientes, y en cada nivel se compara la fuerza indicada por la máquina, F_i, con la fuerza de referencia indicada por el patrón, F. La secuencia se repite en tres series. La norma pide que:

• cada serie tenga al menos cinco niveles de fuerza, a intervalos aproximadamente iguales, entre 20 % y 100 % del rango;
• si el rango se calibra por debajo de 20 %, se agreguen puntos suplementarios, al menos cinco por década por debajo de 20 %;
• el patrón de fuerza cumpla con la ISO 376 y tenga una clase igual o mejor que la clase pretendida para la máquina, con trazabilidad al Sistema Internacional de Unidades;
• la calibración se haga entre 10 °C y 35 °C, sin que la temperatura del patrón varíe más de 2 °C durante cada serie;
• el patrón, ya montado, se precargue al menos tres veces entre cero y la fuerza máxima (sección 6.4.3);
• el indicador se ponga en cero antes de cada serie, y el cero se lea unos 30 s después de retirar la fuerza (sección 6.4.5).

El esquema muestra el montaje en los dos sentidos de fuerza. En compresión, si la máquina no tiene rótula incorporada, el patrón recibe un plato con rótula encima; en tracción, se monta de forma que se evite la flexión. Cuando el patrón se sujeta con pernos roscados, debe haberse calibrado así y se gira 120° entre una serie y otra.

Con las tres series se calcula en cada nivel el error relativo de indicación de cada serie, q_j = (F_ij − F_j) / F_j × 100, donde F_ij es la fuerza indicada por la máquina y F_j la fuerza de referencia en la serie j. El error relativo de indicación de la máquina, q, es el promedio de los tres valores. La repetibilidad, b, es la diferencia entre el mayor y el menor de ellos: b = q_máx − q_mín. Es el cálculo de la ISO 7500-1:2018 (sección 6.5); la edición anterior adoptada en Brasil, la NBR NM-ISO 7500-1:2004, usaba otra fórmula, con el promedio de las fuerzas de referencia, y las dos no se mezclan. También se evalúan el error de cero, f₀, y la resolución relativa del indicador, a.

El siguiente esquema muestra la secuencia completa, de las tres precargas del patrón a las tres series, y ese cálculo en un nivel de fuerza. En el ejemplo, la máquina cumple con la clase 1 en ese nivel; la incertidumbre de la calibración no entra en la clase.

Las clases 0.5, 1, 2 y 3

La clase del rango es la peor entre las clases que alcanza cada parámetro. La tabla resume los límites de cada clase, en porcentaje (Tabla 2 de la norma):

Clase	Error relativo de indicación (q)	Repetibilidad (b)	Resolución relativa (a)	Error de cero (f0)	Reversibilidad (v), cuando se exige
0.5	±0.5 %	0.5 %	0.25 %	±0.05 %	±0.75 %
1	±1.0 %	1.0 %	0.5 %	±0.1 %	±1.5 %
2	±2.0 %	2.0 %	1.0 %	±0.2 %	±3.0 %
3	±3.0 %	3.0 %	1.5 %	±0.3 %	±4.5 %

La reversibilidad solo se evalúa cuando se exige (sección 6.4.8). La clase tampoco incluye la incertidumbre de la calibración: la norma advierte, en la sección 7, que pertenecer a una clase no garantiza que el error, sumado a la incertidumbre, quede dentro del valor de la clase. La mayoría de las normas de ensayo pide clase 1 o mejor: es el caso de la ISO 6892-1 (ABNT NBR ISO 6892-1 en Brasil), de tracción de metales (detallada en la guía de la ASTM E8 e ISO 6892-1), y de la ABNT NBR 5739, la norma brasileña de compresión de concreto, que admite clase 2 solo en laboratorios de obra y plantas de concreto.

El rango verificado y su límite inferior

El punto que más distingue a la celda de máquina de la celda de báscula es este: el error admisible es un porcentaje de la fuerza medida, y no de la escala completa. Una máquina clase 1 tiene un error relativo de indicación de máximo ±1 % de la fuerza medida en todo el rango verificado, ya sea la fuerza de 9 kN o de 300 N. Un error dado en % de la escala completa, en cambio, pesa cada vez más a medida que la fuerza disminuye.

El rango, sin embargo, tiene un piso, y este viene de la resolución del indicador, r, el menor incremento de fuerza que muestra la máquina. La resolución relativa a = r / F × 100 crece cuando la fuerza baja, y la norma limita a a 0.5 % en la clase 1. Esto equivale a exigir F ≥ 200 · r. La ISO 7500-1 escribe la regla directamente: el límite inferior del rango no puede ser menor que r multiplicado por 400 en la clase 0.5, 200 en la clase 1, 100 en la clase 2 y 67 en la clase 3.

La gráfica de abajo muestra estas reglas en una máquina de 10 kN con resolución de 1 N. Cada línea horizontal es el error admisible de una clase, constante en % de la fuerza indicada desde el límite inferior (el punto, en 400, 200, 100 y 67 N) hasta la capacidad; la franja azul es la serie estándar de 20 % a 100 %. La curva naranja muestra, como comparación, lo que un error de 1 % de la escala completa representa en % de la fuerza leída: 5 % al 20 % de la capacidad.

El límite por resolución es el piso teórico. El límite que vale para el laboratorio es el que aparece en el certificado: si la verificación se hizo solo de 20 % a 100 %, la clase declarada vale de 20 % hacia arriba, y una fuerza de 5 % de la capacidad queda fuera de la garantía, aunque la resolución permitiera más. Para usar la máquina por debajo de 20 %, la verificación debe haber incluido los puntos suplementarios.

Cuándo volver a verificar

La ABNT NBR ISO 7500-1 recomienda verificar a intervalos de máximo 12 meses, salvo otra especificación, y siempre que la máquina se desmonte para cambiarla de lugar o pase por una reparación o un ajuste importante. Algunas normas de ensayo hacen obligatorio el plazo: la NBR 5739 exige calibración según la NBR ISO 7500-1 cada 12 meses como máximo. El proceso completo, del certificado al intervalo y a la verificación intermedia, está en la guía de calibración de máquina universal de ensayos. El cambio de la celda de carga es una reparación importante en el sistema de medición de fuerza, caso en el que la norma ordena verificar de nuevo la máquina antes de volver a emitir resultados. El artículo sobre la máquina universal de ensayos trata también la periodicidad según la ASTM E4.

Cómo elegir la capacidad de la celda para el ensayo

La capacidad de la celda de carga para un ensayo se elige por la fuerza del ensayo, no por el catálogo. La regla tiene dos lados:

• Por arriba: la fuerza máxima esperada, con margen para materiales más resistentes que el nominal, tiene que quedar por debajo de la capacidad. Pasar del 100 % saca la lectura de la especificación, y pasar de la carga límite (150 % en la celda Z6) puede desplazar el cero de forma permanente.
• Por abajo: las fuerzas que importan en el resultado tienen que quedar dentro del intervalo verificado. No basta con la fuerza máxima: en el módulo de elasticidad y en el límite de proporcionalidad, las fuerzas relevantes están al inicio de la curva, muy por debajo de la ruptura.

En la práctica, se busca la capacidad que pone la fuerza de ruptura entre cerca del 20 % y el 80 % del intervalo. Para estimar la fuerza, se multiplica el área de la probeta por la resistencia esperada del material. Cuando un laboratorio ensaya desde el alambre fino hasta la barra gruesa, un solo intervalo no cubre los dos extremos, y la solución es tener más de una máquina o más de un intervalo verificado. Los ejercicios siguientes muestran los cálculos.

Cómo probar y calibrar una celda de carga

Probar y calibrar son cosas distintas, y la confusión entre ellas es común. Probar es diagnosticar si la celda está íntegra, con instrumentos sencillos. Calibrar es relacionar la lectura con fuerzas de valor conocido y trazable.

La prueba con multímetro se hace en dos etapas. Con la celda desconectada, se mide la resistencia entre +EXC y −EXC y entre +SIG y −SIG; los valores deben estar cerca de los de la hoja de datos (el puente de 350 Ω es el caso más común, y la resistencia de entrada suele ser un poco mayor que la de salida por los resistores de compensación). También se mide el aislamiento entre los cables y el cuerpo de la celda, que debe ser muy alto. Después, con la celda alimentada, se mide la señal sin carga, que debe estar cerca de 0 mV, y con una masa conocida: una celda de 2 mV/V excitada con 10 V debe dar cerca de 10 mV al 50 % de la capacidad. Un cero muy desplazado indica una sobrecarga anterior o humedad; un aislamiento bajo indica infiltración.

La calibración usa fuerzas trazables en varios puntos, subiendo la carga. En una báscula, se hace con masas patrón. El instrumento patrón de fuerza que se usa para verificar máquinas está, a su vez, calibrado según la ISO 376:2011 (en Brasil, ABNT NBR ISO 376), que lo clasifica en 00, 0.5, 1 o 2. En la máquina de ensayo, lo que cuenta es la calibración y verificación del sistema completo según la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil), descrita en la sección anterior, hecha por un laboratorio con patrón trazable.

Ejercicios resueltos

Los ejercicios aplican las fórmulas de la señal, la regla de la clase y la elección de capacidad.

Ejercicio 1: señal de salida al 60 % de la capacidad

Una celda de 10 kN y 2 mV/V, excitada con 10 V, recibe 6 kN. ¿Cuál es la señal? ¿Y si la excitación es de 5 V?

• Señal a la capacidad: V_FS = 2 mV/V × 10 V = 20 mV.
• 6 kN son el 60 % de 10 kN: V = 20 mV × 0.60 = 12 mV.
• Con 5 V: V_FS = 10 mV y V = 10 × 0.60 = 6 mV. El mismo punto da la mitad de la señal, lo que muestra por qué la excitación tiene que ser estable y conocida.

Ejercicio 2: error admisible de una máquina clase 1 en un ensayo de 5 kN

Un ensayo registra una fuerza máxima de 5 kN, dentro del intervalo verificado de una máquina clase 1. ¿Cuál es el error admisible? ¿Y si la misma tolerancia fuera del 1 % de la escala completa (fondo de escala) de una celda de 100 kN?

• Clase 1: el error de indicación admitido es de ±1.0 % de la fuerza, o 0.01 × 5,000 N = ±50 N. La incertidumbre de la calibración, que consta en el certificado, se suma a ese valor: la norma advierte que la clase no garantiza el resultado dentro de ±1 % con la incertidumbre incluida.
• Si fuera el 1 % de la escala completa de 100 kN: ±1,000 N, o el 20 % de la fuerza medida.

Por eso la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil) usa el porcentaje de la fuerza medida, restringido al intervalo verificado.

Ejercicio 3: límite inferior del intervalo por la resolución

Una máquina tiene una resolución r = 1 N en un intervalo. ¿Hasta qué fuerza puede valer la clase 1? ¿Y si r = 5 N?

• Clase 1: F_mín ≥ 200 × 1 N = 200 N. En ese punto, a = 1 / 200 × 100 = 0.5 %, exactamente el límite.
• Con r = 5 N: F_mín ≥ 200 × 5 N = 1,000 N.

La resolución de la electrónica limita hasta dónde puede bajar la clase, y el certificado indica hasta dónde se verificó realmente.

Ejercicio 4: elegir la capacidad para un alambre de 1 kN y para una varilla de 16 mm

Un laboratorio va a ensayar a tracción un alambre que rompe cerca de 1 kN y una varilla corrugada CA-50 de 16 mm. La máquina disponible tiene un intervalo de 100 kN, con resolución de 10 N. ¿Sirve para los dos?

• Alambre: 1 kN es el 1 % de 100 kN. El límite inferior de la clase 1 es 200 × 10 N = 2 kN, así que el alambre queda fuera del intervalo, aunque la verificación tuviera puntos suplementarios. La solución es un intervalo de 2 a 5 kN, que pone la ruptura entre el 20 % y el 50 % de la capacidad.
• Varilla, fuerza mínima: área nominal π × 16² / 4 = 201.1 mm². Según la ABNT NBR 7480:2024 (la norma brasileña de acero para refuerzo de concreto), el CA-50 tiene f_st ≥ 1.10 × 500 = 550 MPa, así que F_máx ≥ 550 × 201.1 = 110,600 N, cerca de 111 kN.
• Varilla, fuerza de referencia: las varillas reales rompen por encima del mínimo. A 600 MPa, F = 600 × 201.1 = 120,700 N, cerca de 121 kN, ya por encima de 100 kN.
• En un intervalo de 100 kN, la varilla pasa de la capacidad: la lectura sale de la especificación y la celda trabaja cerca de la carga límite. En un intervalo de 200 kN, 121 kN son el 60 % de la capacidad, con margen para varillas más resistentes.

Respuesta: la máquina de 100 kN no sirve para ninguno de los dos. El alambre pide un intervalo de pocos kilonewtons y la varilla de 16 mm, uno de 200 kN. La elección por diámetro está detallada en la guía de la NBR 7480.

Ejercicio 5: empalme en el cable de una celda de 4 hilos

A una celda de 4 hilos se le empalmó el cable con 30 pies más (cerca de 9 m) de cable 28 AWG, sin nueva calibración. ¿Cuál es la pérdida de sensibilidad estimada?

• Según la estimación de Interface, 0.37 % por cada 10 pies: 3 × 0.37 % = 1.1 %.
• La máquina pasa a leer cerca de 1.1 % menos en todo el intervalo, más que el ±1 % de la clase 1. Con 6 hilos y sense, la caída en el cable se compensaría.

Cómo interpretar: dudas que confunden a los profesionales

Los puntos siguientes aparecen en especificaciones de compra, en auditorías de laboratorio y en discusiones con proveedores. Todos vienen de mezclar sistemas de clase o de leer el certificado a medias.

¿Una celda C3 es lo mismo que una máquina clase 1?

No. Son tres sistemas, para tres objetos. La clase C3 es de la OIML R 60, reglamento de celdas para pesaje: "C" es la clase de exactitud y "3" indica 3,000 divisiones de verificación. Las clases 00, 0.5, 1 y 2 de la ISO 376 son del instrumento patrón de fuerza, usado para calibrar máquinas. Las clases 0.5, 1, 2 y 3 de la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil) son del sistema de medición de fuerza de la máquina de ensayo completa, verificado ya montado. Una celda C3 en una máquina no hace que la máquina sea clase 1, y una máquina clase 1 no dice nada sobre OIML.

La clase OIML pertenece a la metrología legal, la que regula la venta por peso. En Brasil, esa regulación corresponde al Inmetro (el instituto brasileño de metrología); en Estados Unidos, la aprobación equivalente es la del NTEP. Una celda sin aprobación OIML o NTEP se vende como de uso general: puede tener una exactitud parecida, pero no sirve para básculas de uso comercial.

¿Una "exactitud de 0.03 %" en la celda garantiza la clase de la máquina?

No. El número de la hoja de datos es de la celda en banco, en % de la escala completa, en las condiciones del fabricante. La clase de la máquina depende también del montaje, la alineación, el cable, la electrónica y la resolución, y solo existe después de la verificación. Una celda muy buena es condición necesaria, no suficiente.

¿Una máquina clase 1 es clase 1 a cualquier fuerza?

No. Es clase 1 dentro del intervalo verificado, que consta en el certificado, de cada intervalo de fuerza. Por debajo del límite inferior, la máquina puede mostrar un número, pero sin garantía de exactitud. Revisar el límite inferior en el certificado es parte de la preparación de cualquier ensayo de fuerza baja.

¿Por qué el software muestra una fuerza distinta de cero sin carga?

Porque el peso de la mordaza y de los accesorios colgados de la celda, la deriva térmica y pequeños desequilibrios del puente producen señal. El procedimiento normal es poner en cero (tarar) la fuerza con la mordaza montada y la probeta todavía suelta en uno de los extremos. Un cero que no se estabiliza, o que cambia mucho de un día para otro, es señal de un problema en la celda o en el cable.

¿Calibrar la celda y verificar la máquina son lo mismo?

No. La celda puede tener un certificado de calibración de fábrica, hecho en banco; la máquina necesita la verificación según la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil), hecha con la celda montada y con patrón trazable. Es la verificación de la máquina la que piden las normas de ensayo y la que revisa el auditor.

Errores comunes con la celda de carga

Los errores más frecuentes no son de diseño de la celda, sino de uso. Cada uno tiene una consecuencia medible:

• Carga lateral, momento o torsión. La celda está calibrada para fuerza axial. Una mordaza desalineada o una probeta torcida introducen fuerzas parásitas, que entran en la lectura o dañan la celda.
• Sobrecarga. Por encima de la carga límite, el cero puede cambiar de forma permanente. El golpe en la ruptura de probetas frágiles y la caída de un peso sobre la celda también cuentan como sobrecarga.
• Cortar o empalmar el cable de una celda de 4 hilos. Cambia la sensibilidad, como en el ejercicio 5. En cables largos, 6 hilos con sense.
• Calibración vencida o celda cambiada sin nueva verificación. La clase declarada solo vale para el conjunto verificado.
• Ensayar fuera del intervalo verificado. Una fuerza pequeña en una celda grande cae por debajo del límite inferior, como el alambre del ejercicio 4.
• Confundir % de la escala completa con % de la fuerza indicada. La hoja de datos usa el primero; la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1 en Brasil), el segundo.
• Comprar por la clase equivocada. Exigir "C3" en una máquina de ensayo, o "clase 1" en una báscula, mezcla sistemas que no se convierten entre sí.
• Ignorar la temperatura. Un gradiente térmico en la celda, por sol, aire acondicionado o una estufa cercana, genera deriva del cero.
• Despreciar el creep en ensayos largos. En fluencia lenta (creep) y relajación, la deriva de la celda se suma al fenómeno medido.
• Cable sin blindaje o mal aterrizado. Con una señal de milivolts, el ruido de motores e inversores aparece en la curva.

La celda de carga en la máquina universal Biopdi

Las máquinas universales de ensayos de Biopdi, línea M2, van de 200 N a 1,000 kN. En ellas, como en cualquier máquina, la clase de la ISO 7500-1 (ABNT NBR ISO 7500-1:2023 en Brasil) no es de la celda de carga: es del sistema de medición de fuerza de la máquina, verificado con la celda instalada, intervalo por intervalo. La celda va en serie con la mordaza o el plato, y el software BioLab recibe la fuerza junto con el desplazamiento del travesaño y la deformación de los extensómetros de ensayo. El panel siguiente muestra la máquina, el papel de cada parte en la medición de fuerza y los dispositivos que transmiten la fuerza de la probeta a la celda.

La capacidad de la máquina sigue la fuerza del ensayo, según la regla de la sección de elección. Para alambres, películas y cintas, con fuerzas de newtons a 1 kN, el modelo es la máquina portátil de 200 N a 1 kN; para plásticos, mortero y alambres más gruesos, la de columna simple de 2 a 10 kN; para varillas corrugadas de hasta 16 mm, la de doble columna de 100 a 200 kN, y para diámetros mayores, los modelos a partir de 300 kN. La línea completa está en la página de la máquina universal de ensayos, y el software BioLab registra la curva, calcula las propiedades y exporta el reporte. La configuración de la celda acompaña a la de la máquina y se define en el proyecto de cada laboratorio: para dimensionar la suya, solicite una cotización.

Normas citadas

La tabla reúne las normas citadas. La edición vigente de las normas ISO y ASTM se revisó el 01/10/2026 en el catálogo de ISO (las dos revisadas y confirmadas en 2026) y en la tienda de ASTM (ambas activas); la de las normas ABNT, el 30/09/2026, en la ficha de ABNT (Target):

Norma	Tema	Edición
ABNT NBR ISO 7500-1	calibración y verificación del sistema de medición de fuerza de máquinas de tracción y compresión (adopción brasileña de la ISO 7500-1)	2023, con erratas de 2023
ISO 7500-1	base internacional de la norma brasileña	2018, confirmada en 2026
ISO 376	calibración y clasificación de los instrumentos patrón de fuerza	2011, confirmada en 2026
ASTM E4	verificación de fuerza de máquinas de ensayo (EUA)	E4-24
ASTM E74	calibración de instrumentos de medición de fuerza (EUA)	E74-18(2026)
OIML R 60	reglamento metrológico de celdas de carga para pesaje	R 60-1:2021
ABNT NBR 7480	acero para refuerzo de concreto armado (norma brasileña)	2024
ABNT NBR 5739	compresión de probetas cilíndricas de concreto (norma brasileña)	2018