Cella di carico - Load cell

Una  cella di carico è un trasduttore di forza . Converte una forza come tensione, compressione, pressione o coppia in un segnale elettrico che può essere misurato e standardizzato. All'aumentare della forza applicata alla cella di carico, il segnale elettrico cambia proporzionalmente. I tipi più comuni di cella di carico utilizzati sono estensimetri, pneumatici e idraulici.

Cella di carico estensimetrica

Le celle di carico estensimetriche sono il tipo che si trova più spesso negli ambienti industriali. È l'ideale in quanto è altamente preciso, versatile ed economico. Strutturalmente, una cella di carico ha un corpo metallico a cui sono stati fissati gli estensimetri. Il corpo è solitamente realizzato in alluminio, acciaio legato o acciaio inossidabile che lo rende molto robusto ma anche minimamente elastico. Questa elasticità dà origine al termine "elemento a molla", riferito al corpo della cella di carico. Quando viene esercitata una forza sulla cella di carico, l'elemento a molla viene leggermente deformato e, a meno che non sia sovraccarico, ritorna sempre alla sua forma originale. Quando l'elemento a molla si deforma, anche gli estensimetri cambiano forma. La conseguente alterazione della resistenza negli estensimetri può essere misurata come tensione. La variazione di tensione è proporzionale alla quantità di forza applicata alla cella, quindi la quantità di forza può essere calcolata dall'uscita della cella di carico.

Estensimetri

Un estensimetro è costruito con un filo molto sottile, o un foglio, disposto in uno schema a griglia e attaccato a un supporto flessibile. Quando la forma dell'estensimetro viene alterata, si verifica un cambiamento nella sua resistenza elettrica. Il filo o la lamina nell'estensimetro è disposto in modo tale che, quando la forza viene applicata in una direzione, si ottiene una variazione lineare della resistenza. La forza di tensione allunga un estensimetro, facendolo diventare più sottile e più lungo, con conseguente aumento della resistenza. La forza di compressione fa il contrario. L'estensimetro si comprime, diventa più spesso e più corto e la resistenza diminuisce. L'estensimetro è fissato a un supporto flessibile che consente di applicarlo facilmente a una cella di carico, rispecchiando i minimi cambiamenti da misurare.

Poiché la variazione di resistenza misurata da un singolo estensimetro è estremamente piccola, è difficile misurare con precisione le variazioni. L'aumento del numero di estensimetri applicati collettivamente ingrandisce questi piccoli cambiamenti in qualcosa di più misurabile. Un set di 4 estensimetri inseriti in un circuito specifico è un'applicazione di un ponte di Wheatstone .

Ponte di Wheatstone

Un ponte di Wheatstone è una configurazione di quattro resistori bilanciati con una tensione di eccitazione nota applicata come mostrato di seguito:

La tensione di eccitazione è una costante nota e la tensione di uscita è variabile a seconda della forma degli estensimetri. Se tutti i resistori sono bilanciate, cioè quindi è zero. Se la resistenza anche in uno dei resistori cambia, cambierà anche quella. La variazione di può essere misurata e interpretata utilizzando la legge di Ohm. La legge di Ohm afferma che la corrente ( , misurata in ampere) che attraversa un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla tensione ai capi dei due punti. La resistenza ( , misurata in ohm) viene introdotta come costante in questa relazione, indipendentemente dalla corrente. La legge di Ohm è espressa nell'equazione . ${\displaystyle V_{\text{EX}}}$${\textstyle V_{o}}$${\displaystyle {\frac {R1}{R2}}={\frac {R4}{R3}}}$${\textstyle V_{o}}$${\displaystyle V_{0}}$${\textstyle V_{o}}$${\textstyle io}$${\textstyle V}$${\displaystyle R}$${\displaystyle I=V/R}$

Quando applicata alle 4 gambe del circuito del ponte di Wheatstone, l'equazione risultante è:

${\displaystyle V_{o}=\left({\frac {R3}{R3+R4}}-{\frac {R2}{R1+R2}}\right)V_{\text{EX}}}$

In una cella di carico, i resistori vengono sostituiti con estensimetri e disposti in alternanza di tensione e formazione di compressione. Quando viene esercitata una forza sulla cella di carico, la struttura e la resistenza degli estensimetri cambiano e vengono misurate. Dai dati risultanti, può essere facilmente determinato utilizzando l'equazione di cui sopra. ${\textstyle V_{o}}$${\textstyle V_{o}}$

Tipi comuni di celle di carico

Esistono diversi tipi di celle di carico estensimetriche:

• Celle di carico a punto singolo; utilizzato in bilance a piattaforma di piccole e medie dimensioni con dimensioni della piattaforma di 200x200 mm fino a 1200x1200 mm.
• Celle di carico Planar Beam; utilizzato in soluzioni a basso profilo in cui lo spazio è limitato, come bilance mediche e bilance per negozi.
• Celle di carico a flessione; utilizzato in bilance per pallet, piattaforme e piccole tramogge.
• Celle di carico Shear Beam; utilizzato in applicazioni di processo e su scala a basso profilo, disponibile con capacità da 100 kg fino a 50 t!
• Celle di carico Dual Shear Beam; utilizzato in applicazioni di bilance per autocarri, serbatoi e tramogge.
• celle di carico di tipo S; utilizzato in applicazioni di trazione dove si trovano carichi statici e dinamici.
• Celle di carico a compressione; utilizzato in pese per autocarri, bilance a piattaforma di grandi dimensioni, pese a ponte e bilance a tramoggia.
• Celle di carico Ring Torsion; utilizzato in tramogge ad alta precisione, silo, piattaforme e bilance pesapallet.
• Celle di carico a raggi; utilizzato in applicazioni a basso profilo e di alta precisione. Forze elevate che variano da 1t-500t.
• Celle di carico a bordo; utilizzato per sistemi di pesatura a bordo su camion, trattori e altri veicoli.
• Perni di carico; utilizzato in applicazioni per la misurazione di forze dinamiche, statiche o di sollevamento.
• Bilance; bilance portatili per la pesatura di auto e la misura del baricentro degli aerei.
• Speciali; tutti i tipi di sensori speciali.

Cella di carico pneumatica

La cella di carico è progettata per regolare automaticamente la pressione di bilanciamento. La pressione dell'aria viene applicata ad un'estremità del diaframma e fuoriesce attraverso l'ugello posto nella parte inferiore della cella di carico. Un manometro è collegato alla cella di carico per misurare la pressione all'interno della cella. La deflessione della membrana influisce sul flusso d'aria attraverso l'ugello e sulla pressione all'interno della camera.

Cella di carico idraulica

La cella di carico idraulica utilizza una disposizione convenzionale di pistone e cilindro con il pistone posizionato in un sottile diaframma elastico. Il pistone in realtà non entra in contatto con la cella di carico. Gli arresti meccanici sono posizionati per evitare sollecitazioni eccessive della membrana quando i carichi superano un certo limite. La cella di carico è completamente riempita d'olio. Quando il carico viene applicato sul pistone, il movimento del pistone e della membrana provoca un aumento della pressione dell'olio. Questa pressione viene quindi trasmessa a un manometro idraulico tramite un tubo flessibile ad alta pressione. Il tubo Bourdon del manometro rileva la pressione e la registra sul quadrante. Poiché questo sensore non ha componenti elettrici, è ideale per l'uso in aree pericolose. Le applicazioni tipiche delle celle di carico idrauliche includono la pesatura di serbatoi, contenitori e tramogge. Ad esempio, una cella di carico idraulica è immune alle tensioni transitorie (fulmini), quindi questo tipo di celle di carico potrebbe essere un dispositivo più efficace in ambienti esterni. Questa tecnologia è più costosa di altri tipi di celle di carico. È una tecnologia più costosa e quindi non può competere efficacemente sulla base del costo di acquisto.

Altri tipi

Cella di carico vibrante

Celle di carico a filo vibrante , utili nelle applicazioni geomeccaniche a causa delle basse quantità di deriva , e celle di carico capacitive in cui la capacità di un condensatore cambia quando il carico preme le due armature di un condensatore più vicine.

Cella di carico piezoelettrica

Le celle di carico piezoelettriche funzionano secondo lo stesso principio di deformazione delle celle di carico estensimetriche, ma un'uscita di tensione è generata dal materiale piezoelettrico di base , proporzionale alla deformazione della cella di carico. Utile per misurazioni dinamiche/frequenti della forza. La maggior parte delle applicazioni per celle di carico piezoelettriche si trovano nelle condizioni di carico dinamico, dove le celle di carico estensimetriche possono guastarsi con cicli di carico dinamici elevati. L'effetto piezoelettrico è dinamico, cioè l'uscita elettrica di un misuratore è una funzione impulsiva e non è statica. L'uscita di tensione è utile solo quando la deformazione cambia e non misura valori statici.

Tuttavia, a seconda del sistema di condizionamento utilizzato, è possibile eseguire un funzionamento "quasi statico". L'utilizzo di un amplificatore di carica con una costante di tempo lunga consente misurazioni accurate della durata di molti minuti per piccoli carichi fino a molte ore per grandi carichi. Un altro vantaggio delle celle di carico piezoelettriche condizionate con un amplificatore di carica è l'ampio campo di misura che può essere raggiunto. Gli utenti possono scegliere una cella di carico con un range di centinaia di kilonewton e usarla per misurare pochi newton di forza con lo stesso rapporto segnale-rumore; anche in questo caso ciò è possibile solo con l'utilizzo di un amplificatore di carica per il condizionamento.

Problemi comuni

• Montaggio meccanico: le celle devono essere montate correttamente. Tutta la forza di carico deve passare attraverso la parte della cella di carico in cui viene rilevata la sua deformazione. L'attrito può indurre offset o isteresi . Un montaggio errato può far sì che la cella riporti forze lungo l'asse indesiderato, che può comunque essere in qualche modo correlato al carico rilevato, confondendo il tecnico.
• Sovraccarico: All'interno della sua valutazione, la cella di carico si deforma elasticamente e ritorna alla sua forma dopo essere stata scaricata. Se sottoposto a carichi superiori alla sua portata massima, il materiale della cella di carico può deformarsi plasticamente ; ciò può causare un offset del segnale, perdita di linearità, difficoltà o impossibilità di calibrazione o persino danni meccanici all'elemento sensibile (ad es. delaminazione, rottura).
• Problemi di cablaggio: i fili della cella possono sviluppare un'elevata resistenza, ad esempio a causa della corrosione. In alternativa, percorsi di corrente paralleli possono essere formati dall'ingresso di umidità. In entrambi i casi il segnale sviluppa un offset (a meno che tutti i fili non siano interessati allo stesso modo) e si perde la precisione.
• Danni elettrici: le celle di carico possono essere danneggiate dalla corrente indotta o condotta. I fulmini che colpiscono la costruzione, o la saldatura ad arco eseguita vicino alle celle, possono sovraccaricare le sottili resistenze degli estensimetri e causare il loro danneggiamento o distruzione. Per saldature in prossimità si consiglia di scollegare la cella di carico e di cortocircuitare tutti i suoi pin a terra, in prossimità della cella stessa. Le alte tensioni possono rompere l'isolamento tra il substrato e gli estensimetri.
• Non linearità : al limite inferiore della loro scala, le celle di carico tendono ad essere non lineari. Questo diventa importante per le celle che rilevano portate molto ampie, o con grande eccedenza di capacità di carico per resistere a sovraccarichi o urti temporanei (es. i bloccanti). Potrebbero essere necessari più punti per la curva di calibrazione.
• Particolarità dell'applicazione: Una cella di carico che non è adatta all'entità e al tipo di pressione specifici avrà scarsa precisione, risoluzione e affidabilità.

Eccitazione e potenza nominale

Il ponte è eccitato con tensione stabilizzata (di solito 10 V, ma può essere 20 V, 5 V o meno per la strumentazione alimentata a batteria). La differenza di tensione proporzionale al carico appare quindi sulle uscite di segnale. L'uscita della cella è valutata in millivolt per volt (mV/V) della differenza di tensione a pieno carico meccanico nominale. Quindi una cella di carico da 2,96 mV/V fornirà un segnale di 29,6 millivolt a pieno carico quando eccitata con 10 volt.

I valori di sensibilità tipici sono da 1 a 3 mV/V. La tensione di eccitazione massima tipica è di circa 15 volt.

Cablaggio

Le celle a ponte intero sono generalmente in configurazione a quattro fili. I fili all'estremità superiore e inferiore del ponte sono l'eccitazione (spesso etichettati E+ ed E-, o Ex+ ed Ex-), i fili ai suoi lati sono il segnale (etichettati S+ e S-). Idealmente, la differenza di tensione tra S+ e S- è zero sotto carico zero e cresce proporzionalmente al carico meccanico della cella di carico.

A volte viene utilizzata una configurazione a sei fili. I due fili aggiuntivi sono "sense" (Sen+ e Sen−), e sono collegati al ponte con i fili Ex+ ed Ex-, in modo simile al rilevamento a quattro terminali . Con questi segnali aggiuntivi, il controller può compensare la variazione della resistenza del filo dovuta a fattori esterni, ad es. fluttuazioni di temperatura.

Le singole resistenze sul ponte di solito hanno una resistenza di 350 Ω . A volte si possono incontrare altri valori (tipicamente 120 Ω, 1.000 Ω).

Il ponte è tipicamente elettricamente isolato dal substrato. Gli elementi sensibili sono molto vicini e in buon contatto termico reciproco, per evitare segnali differenziali causati da differenze di temperatura.

Utilizzo di più celle

È possibile utilizzare una o più celle di carico per rilevare un singolo carico.

Se la forza può essere concentrata su un singolo punto (rilevamento su piccola scala, funi, carichi di trazione, carichi concentrati), è possibile utilizzare una singola cella. Per le travi lunghe, vengono utilizzate due celle all'estremità. I cilindri verticali possono essere misurati in tre punti, gli oggetti rettangolari di solito richiedono quattro sensori. Più sensori vengono utilizzati per contenitori o piattaforme di grandi dimensioni o carichi molto elevati.

Se è garantito che i carichi siano simmetrici, alcune delle celle di carico possono essere sostituite con perni. Ciò consente di risparmiare il costo della cella di carico ma può ridurre significativamente la precisione.

Le celle di carico possono essere collegate in parallelo; in tal caso, tutti i segnali corrispondenti sono collegati insieme (Ex+ a Ex+, S+ a S+, ...), e il segnale risultante è la media dei segnali di tutti gli elementi sensibili. Viene spesso utilizzato, ad esempio, nelle bilance pesapersone o in altri sensori di peso multipunto.

L'assegnazione del colore più comune è rosso per Ex+, nero per Ex−, verde per S+ e bianco per S−.

Assegnazioni meno comuni sono rosso per Ex+, bianco per Ex−, verde per S+ e blu per S−, o rosso per Ex+, blu per Ex−, verde per S+ e giallo per S−. Sono possibili anche altri valori, ad es. rosso per Ex+, verde per Ex−, giallo per S+ e blu per S−.

squillo

Ogni cella di carico è soggetta a "squillo" quando soggetta a brusche variazioni di carico. Ciò deriva dal comportamento a molla delle celle di carico. Per misurare i carichi, devono deformarsi. Come tale, una cella di carico di rigidità finita deve avere un comportamento a molla, esibendo vibrazioni alla sua frequenza naturale . Un modello di dati oscillante può essere il risultato di uno squillo. Lo squillo può essere soppresso in modo limitato con mezzi passivi. In alternativa, un sistema di controllo può utilizzare un attuatore per smorzare attivamente il ronzio di una cella di carico. Questo metodo offre prestazioni migliori a un costo di un aumento significativo della complessità.

Usi

Le celle di carico sono utilizzate in diversi tipi di strumenti di misura come bilance da laboratorio, bilance industriali, bilance a piattaforma e macchine di prova universali . Dal 1993 il British Antarctic Survey ha installato celle di carico in nidi in fibra di vetro per pesare i pulcini di albatros . Le celle di carico sono utilizzate in un'ampia varietà di articoli come lo shaker a sette montanti che viene spesso utilizzato per allestire le auto da corsa.

Prestazioni di pesatura celle di carico

Le celle di carico sono comunemente utilizzate per misurare il peso in un ambiente industriale. Possono essere installati su tramogge, reattori, ecc., per controllarne la capacità di peso, spesso di fondamentale importanza per un processo industriale. Alcune caratteristiche prestazionali delle celle di carico devono essere definite e specificate per assicurarsi che possano far fronte al servizio previsto. Tra queste caratteristiche di progettazione ci sono:

• Errore combinato
• Intervallo minimo di verifica
• Risoluzione

Specifiche della cella di carico

Le specifiche elettriche, fisiche e ambientali di una cella di carico aiutano a determinare per quali applicazioni è appropriata. Le specifiche comuni includono:

• Uscita a fondo scala (FSO): Uscita elettronica espressa in mV/V. Misurato a fondo scala.
• Errore combinato: percentuale dell'uscita di fondo scala che rappresenta la massima deviazione dalla retta tracciata tra vuoto e carico alla capacità nominale. Spesso misurato durante carichi decrescenti e crescenti.
• Non linearità: la deviazione massima della curva di calibrazione da una linea retta tracciata tra la capacità nominale e il carico zero. Misurato all'aumentare del carico ed espresso come percentuale dell'uscita a fondo scala.
• Isteresi: differenza massima tra i segnali di uscita della cella di carico per lo stesso carico applicato. La prima misura può essere ottenuta diminuendo il carico dalla potenza nominale e la seconda aumentando il carico da zero.
• Ripetibilità: differenza massima tra le misurazioni di uscita per carichi ripetuti in condizioni identiche. Misurato in percentuale della potenza nominale.
• Zero Balance (Offset): Lettura dell'uscita della cella di carico con eccitazione nominale a vuoto. La deviazione in uscita tra una misurazione dello zero reale e una cella di carico reale sotto carico zero espressa come percentuale dell'uscita di fondo scala.
• Intervallo di temperatura compensato: l'intervallo di temperatura entro il quale una cella di carico viene compensata in modo che possa garantire l'equilibrio zero e l'uscita nominale entro i limiti specificati. Espresso come °F o °C.
• Intervallo di temperatura operativa: intervallo di temperatura estremo in cui una cella di carico può funzionare senza effetti negativi permanenti su nessuna delle sue caratteristiche prestazionali. Espresso come °F o °C.
• Effetto della temperatura sull'uscita: modifica delle letture in uscita causate dalla temperatura della cella di carico. Espresso come percentuale dell'uscita a fondo scala per grado di °F o °C.
• Effetto della temperatura sullo zero: variazione dell'equilibrio zero causata dalle variazioni della temperatura ambiente. Espresso come percentuale dell'uscita a fondo scala per grado di °F o °C.
• Resistenza di ingresso: resistenza di ingresso del circuito a ponte della cella di carico. Misurato sui conduttori di eccitazione positivo e negativo senza carico applicato. Misurato in Ohm.
• Resistenza di uscita: resistenza di uscita del circuito a ponte della cella di carico. Misurato sui conduttori di eccitazione positivo e negativo senza carico applicato. Misurato in Ohm.
• Resistenza di isolamento: La resistenza misurata lungo i percorsi tra: circuito a ponte ed elemento trasduttore, circuito a ponte e schermo del cavo, e l'elemento trasduttore e lo schermo del cavo. Tipicamente misurato a cinquanta volt in condizioni di prova standard.
• Eccitazione consigliata: tensione di eccitazione massima consigliata del trasduttore affinché funzioni entro le sue specifiche. Espresso in VDC.
• Lunghezza cavo: Lunghezza del cavo standard per il quale è calibrata la cella di carico. La lunghezza del cavo influisce sulla calibrazione della cella di carico.
• Sovraccarico sicuro: il carico massimo che può essere applicato a una cella di carico senza causare effetti permanenti alle sue specifiche di prestazione. Misurato come percentuale dell'uscita a fondo scala.
• Sovraccarico finale: carico massimo che può essere sopportato senza causare cedimenti strutturali.
• Materiale: sostanza che comprende l'elemento elastico della cella di carico.

Calibrazione cella di carico

Le celle di carico sono parte integrante della maggior parte dei sistemi di pesatura nei settori industriale, aerospaziale e automobilistico, e sono sottoposti a un uso quotidiano rigoroso. Nel tempo, le celle di carico si spostano, invecchiano e si disallineano; pertanto, dovranno essere calibrati regolarmente per garantire il mantenimento di risultati accurati. ISO9000 e la maggior parte degli altri standard specificano un periodo massimo di circa 18 mesi a 2 anni tra le procedure di ricalibrazione, a seconda del livello di deterioramento della cella di carico. La ricalibrazione annuale è considerata la migliore pratica da molti utenti di celle di carico per garantire le misurazioni più accurate.

I test di calibrazione standard utilizzeranno la linearità e la ripetibilità come linee guida per la calibrazione poiché entrambe sono utilizzate per determinare l'accuratezza. La calibrazione viene eseguita in modo incrementale iniziando a lavorare in ordine crescente o decrescente. Ad esempio, nel caso di una cella di carico da 60 tonnellate, possono essere utilizzati pesi di prova specifici che misurano con incrementi di 5, 10, 20, 40 e 60 tonnellate; un processo di calibrazione in cinque fasi è generalmente sufficiente per garantire che un dispositivo sia calibrato accuratamente. Si consiglia di ripetere questa procedura di calibrazione in cinque fasi 2-3 volte per ottenere risultati coerenti.

Guarda anche

• Bilancia a molla
• Sensore di allungamento

Riferimenti

Standard

• ASTM E4 – Pratiche per la verifica della forza delle macchine di prova
• ASTM E74 – Pratica per la calibrazione degli strumenti di misurazione della forza per la verifica dell'indicazione della forza delle macchine di prova
• NTEP – Conferenza Nazionale Pesi e Misure (Certificato di Conformità)