Para poder medir la deformación de una barra metálica, necesitamos disponer el peso en un extremo de la misma y la fijación al suelo en el otro extremo a una pequeña altura, que permita la flexión de la barra.

Cuando pongamos un peso en el plato (Al que apunta la flecha roja) la probeta se pandeará hacia abajo, por lo que necesita un apoyo fijo al suelo, que la alce unos pocos milímetros en el otro extremo. La probeta viene de serie con un par de agujeros pasantes en los laterales, de modo que la flexión sea máxima en esa zona y resulte más fácil de medir con las galgas.

Se puede hacer con unas planchas de madera que tengas por ahí, o como yo, que soy muy vago, comprando un kit de metacrilato que ya viene cortado y listo para montar, pero la idea es la misma. Sujetas la célula de carga, que ya trae los taladros con rosca,  atornillándola al suelo, por un extremo, asegurándote de que la flecha del otro extremo apunta hacia abajo (Que es la forma en que está pensada, y no al revés )

Yo voy a usar una plataforma de metacrilato que ya viene cortada a medida para montar la balanza. Fíjate que la célula de carga está sujeta a la plataforma inferior y el plato de pesaje se sujeta a la probeta de aluminio mediante un tornillo:

 

 

Habitualmente las células de carga simples como las que vamos a usar en esta sesión, vienen con un convertidor analógico a digital de 24 bits del tipo HX711, es un ADC de 24 bits de resolución y bajo coste, de uso generalizado, con algunas características que lo hacen muy interesante y del que habláramos específicamente en otra sesión. Pero aquí, lo primero tenemos que conectar el ADC HX711 a nuestro Arduino.

Arduino	Vcc	GND	2	3
HX711	Vcc	GND	SCK	DT

Por el otro extremo, las conexiones son así:

HX711	E+	E-	A-	A+
Load Cell	Rojo	Negro	Verde	Blanco

Los terminales B+ y B- , son un segundo canal para el convertidor analógico a digital, que no usaremos en esta sesión. Si todo va bien, espero entrar con el segundo canal en la futura entrega sobre el HX711.

La conexión es muy sencilla y únicamente tienes que tener cuidado con las soldaduras y asegúrate de que conectas bien todo (Yo metí la pata la primera vez, hay que jo…, y me estuvo mareando un buen rato)

 

 

Vamos a usar la célula de carga sobre su soporte y colocaremos peso en la bandeja superior. Al hacerlo, la probeta de aluminio se inclinará ligeramente hacia abajo(Por el peso) y la célula de carga detectará el desequilibro en el puente de Wheatstone que configuran las galgas internamente (Ya vienen de fabrica conectadas en puente, no tienes que hacer nada)

Antes de empezar es importante entender que vamos a usar un HX711, que es un convertidor de 24 bits, en contraposición de los de Arduino que son de 10 bits. ¿Por qué?

Mientras que Arduino es capaz de dividir los 5 voltios a la entrada en 2¹⁰ partes es decir 1.024, lo que corresponde a 5 / 1.024 = 4,88 mV por escalón, el HX711 es capaz de dividir los 5V en 2²⁴ partes, lo que supone 5 / 16.777.216 = 29,8 µV, es decir 16.834 veces mayor resolución. Casi nada. El Hx711 es capaz de detectar (En teoría) variaciones de tensión de casi 30 µV.

¿Porque necesitamos tanta resolución? Pues porque la deformación que se genera es minúscula, y lo mismo ocurre con la tensión del puente de Wheatstone, tal y como te dicta tu sentido común, pero suficiente para ser medido con precisión con un ADC de 24 bits.

Aquí, aún se suele seguir llamando tensión galvánica al desequilibrio del puente, por razones históricas. A la electricidad se la llamaban originalmente galvanismo en la Inglaterra de siglo XIX, pero a mí eso del galvanismo me sigue sonando a tecnología del doctor Frankenstein.

Quizás estos números te permitan comprender la resolución de una balanza por deformación, como la que nos ocupa, y la razón por las que las mediciones de las células de carga se deben hacer en un ambiente térmicamente estable y libre de vibraciones de todo tipo. Cualquier vibración se reflejará en la medición, incluyendo algunas que te pueden parecer increíbles (Que toques las mesa durante la medición, que arranque el ascensor de tu casa, o que haya corrientes de aire) La medición de precisión ha sido siempre una cosa muy jodida por las interferencias de todo tipo que inadvertidamente pueden arruinar la medida.

 

Una vez hechas las advertencias previas, comprenderás que hagas lo que hagas, la célula de carga siempre devuelve un número, que es la tensión en el puente, pero que de por sí tiene poco sentido, sino afinamos un poco más. ¿Por qué?

En primer lugar, el propio soporte que has colocado para apoyar el peso a medir, pesa por sí mismo. Tenemos que eliminar ese peso, restándole del peso final  antes de nada, y a eso se le llama tarar la báscula. Será la primera operación a realizar.

Lo segundo es, que todo instrumento de medida dará siempre una medida pase lo que pase, pero que sea creíble o te sirva de algo es un problema diferente. Suponte que pones algo de peso desconocido en la balanza y tu Arduino te informa, todo cachondo, que los resultados son 132.456,1.  ¿Ciento y pico mil qué? Kilos, gramos, miliostios?. La medida solo es una información de la tensión en el puente, no un valor de peso.

Por ese motivo, tenemos que calibrar la balanza con un peso conocido para conseguir un factor de conversión de tensión en el puente con unos ciertos gramos o kilos. Será nuestra segunda operación. En general se acepta que este tipo de galgas están diseñadas para que la respuesta sea lineal (Que la tensión en el puente es directamente proporcional al peso) Pero sobre esto también se podría hablar largo y tendido.

En esta sesión, supondremos, elegantemente, que la respuesta de la célula de carga es perfectamente lineal y lo que haremos será pesar algo cuyo peso conozcamos con exactitud y calcular un coeficiente de conversión entre la tensión del puente y el peso, y a esto se le llama calibrar la balanza.

Solamente, después de tarar la báscula y calibrarla, podremos aventurar el peso de lo que pongamos en el plato. ¿Vale? Una vez con esto claro vamos a empezar con el programa de nuestra bascula. Empieza por instalar la librería necesaria para el HX711 desde el gestor de librerías:

Ahora en el cuadro que aparece escribe HX711 y elige la primera opción: HX711 Arduino Library, y dale a instalar.

 

Empezaremos, preparando un programa para calibrar nuestra balanza. Podemos empezar por incluir la librería:

#include "HX711.h"

Ahora un par de líneas para indicar a que pines de Arduino hemos conectado los cables de datos del HX711:

const int LOADCELL_DOUT_PIN = 3;
const int LOADCELL_SCK_PIN = 2;

Si tuvieras interés en conectar más de una célula de carga para tener varias basculas, bastaría con elegir otro par de pines digitales e indicarlo aquí. Ahora hay que instanciar cada balanza que definimos (Nosotros solo una)

HX711 balanza;

Vamos con el setup():

void setup()
{  Serial.begin(115200);
   balanza.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);
   delay(250);

   balanza.set_scale(); //La escala por defecto es 1
   balanza.tare();
}

Después de inicializar la puerta Serie, para los mensaje y lecturas, lo siguiente es arrancar la instancia balanza, pasándole como parámetros los pines a los que hemos conectado el HX711. Y hacemos un pequeño delay para dar tiempo a que todo se estabilice.

balanza.set_scale(); //La escala por defecto es 1
balanza.tare();

La primera línea fija la escala de medida en 1, el valor por defecto. La segunda hace una medida de la tara. Mas adelante nos preocuparemos de afinar todo esto un poco. Vamos con el loop:

void loop()
 {  if (balanza.is_ready())
       { long reading = balanza.get_units(10);
         Serial.println(reading  );
       }
    else
         Serial.println("HX711 not found.");
    delay(500);
 }

Programa: Calibracion

Cuando hacemos una lectura con balanza.read(), obtenemos la tensión del puente de Wheatstone. Es un valor sin mucho sentido físico, más allá de ser una medida de tensión actual, Si no ponemos peso en la balanza, obtendrás pequeños valores alrededor alrededor de 0 en la consola:

Valores pequeños en relación al fondo de escala, que recuerda es 2²⁴, Que es un valor grande.

No te preocupes mucho si son negativos por el momento. Lo normal es que bailen alrededor del 0. Recuerda que los puentes de galgas son hiper sensibles, incluso a las vibraciones.

 
Ahora tenemos que calibrarla, y para eso necesitas un peso conocido. Normalmente, el peso conocido, conviene que sea lo más próximo al fondo de escala de tu célula de carga. La que yo estoy usando es de 5Kg, pero las hay de 10, de 20Kg…etc. Si no tienes un peso tan alto, podemos apañarnos con una botella de litro de agua, por ejemplo.

Si vas a usar una botella de agua o similar, recuerda que la botella también pesa. Deberías dejar el recipiente o botella vacía, sobre la báscula al encenderla y rellenar después.

Son pequeñas precauciones para conseguir la mejor precisión posible. Si pones litro y medio a ojo la balanza, pesará genial, pero si tu escala es un asco, la pesada también

 
En mi caso y a falta de un peso calibrado próximo a 5Kg, voy a usar un peso que tengo por aquí de exactamente 455 gramos (Es largo de explicar). Si colocas tu peso patrón en la balanza, veras como las lecturas cambia a números mucho mayores:

 

Te recomiendo, dejarle hacer unas cuantas lecturas, (Entre 32 y 64, por ejemplo) porque puedes ver que hay pequeñas variaciones en la medida en bruto y después hacer el promedio de todas esas medidas. Lo que yo he hecho es copiar esas medidas desde la consola (Si. Puedes copiar directamente los valores) y pegarlos en Excel sin más. Después usa la función promedio(Rango) y te dará un número que será la media: En mi caso 177.250.

Como sé que mi peso es de 455 gramos, mi factor de escala es la división ambos valores:

En realidad, el valor exacto es de 389,560439560 pero probablemente no tiene sentido usar todos los decimales, aunque siempre puedes probar.

Aquí estamos suponiendo implícitamente que la célula de carga es perfectamente lineal y por tanto que el peso medido es proporcional a la medida de tensión, algo que se acerca bastante a la realidad.

 

Una vez conocido el valor de conversión de nuestra balanza, con el peso real colocado en el plato, podemos ya, empezar con el programa de pesaje, pero como esto ya se ha alargado bastante, vamos a dejarlo aquí, por ahora. En la próxima sesión desarrollaremos el programa de pesaje final de nuestra báscula. Hasta entonces un saludo.