Cella di carico

Consigli per l'acquisto di una cella di carico

I sensori per gli strumenti che misurano la forza si denominano celle di carico. La cella di carico può avere forme e dimensioni diverse. La cella di carico può avere forma cilindrica. Oggi il termine cella di carico si impiega anche per altri design. Esistono sensori per la misurazione della forza che sono collegati in modo fisso all'unità di visualizzazione, anche se esistono celle di carico collegabili a vari dispositivi di misura della forza od unità di visualizzazione. La cella di carico esterna ha il vantaggio di potersi trovare a distanza dal punto di misurazione e dal punto di visualizzazione. E ne consente l'uso in luoghi dove lo spazio è ridotto. Alcuni principi di misurazione elettrica consentono di valutare simultaneamente i segnali di varie celle di carico. Tale possibilità si utilizza spesso nella tecnologia di pesatura. Grazie alla possibilità di dedurre la forza del peso da un valore gravitazionale noto, è possibile utilizzare la cella di carico su più bilance. Le celle di carico speciali possono registrare più direzioni di forza lungo un asse o registrare simultaneamente i valori di più assi di forza.
La linea guida VDI 2638 regola i parametri delle celle di carico. Secondo il comunicato stampa della VDI, la linea guida consente "al consumatore di assegnare chiaramente le caratteristiche del prodotto e di fare una scelta in base alle proprie esigenze".

Principi di funzionamento della cella di carico
Cella di carico a flessione
Si può costruire una cella di carico meccanica semplice a partire da molle in metallo a spirale. Tirando la molla a spirale, o si comprime lungo l'asse, la variazione della lunghezza nel range di misura è proporzionale alla forza esercitata. Quando la cella di carico a flessione viene scaricata, ritorna alla forma originale. Per i vari tipi di misurazione, le molle sono disegnate in base al tipo di materiale, lo spessore e il tipo e numero di bobine. La corsa della molla viene visualizzata su scala come valore dinamometrico. Alcuni dinamometri a flessione sono dotati di indicatore a lancetta che non torna automaticamente alla posizione iniziale quando si rilascia il carico. In tal modo, è possibile visualizzare il valore massimo delle misurazioni.

Cella di carico idraulica
Un sensore di forza idraulica ha spesso la forma di una cella di carico. Nel modello più comune la forza agisce su un pistone che sporge leggermente, e a sua volta preme sul cilindro riempito di fluido idraulico. Esistono speciali pistoni anulari per misurare i punti in cui la cella di carico è posizionata e supportata da un asse.
Dal momento che i liquidi sono difficili da comprimere, trasmettono la forza applicata sul sistema. L'indicazione può essere effettuata meccanicamente, ad esempio con manometri, trasmettitori di pressione o contatti speciali. Una cella di carico idraulica non richiede energia ausiliare perché è robusta, e utilizzando un fluido idraulico appropriato, può essere impiegata in molti range di temperatura.

Celle di carico estensimetriche
La cella di carico con tecnologia estensimetrica utilizza la deformazione elastica dei fili metallici. Tuttavia, non si misura la variazione di lunghezza, ma quella della resistenza elettrica. Quando si stira l'elemento elastico, la resistenza aumenta, e quando si comprime diminuisce. Il corpo base su cui vengono applicati gli estensimetri è deformato elasticamente.
Utilizzando diverse resistenze collegate in modo trasversale, è possibile evitare errori di misurazione causati da forze trasversali, momenti flettenti e variazioni di temperatura. Ciò si ottiene attraverso il circuito elettrico noto come il ponte di Wheatstone, in cui quattro estensimetri sono montati sul corpo della molla della cella di carico, in modo tale che quando viene applicata la forza, due vengono compressi e due vengono allungati. Se cambia la temperatura, cambia anche la resistenza in tutti gli estensimetri, ma a causa dell'allineamento opposto non viene generata alcuna tensione di uscita. Con l'aiuto di questo circuito è possibile produrre sensori di forza molto precisi a costi relativamente bassi. La forma e il materiale del corpo della molla possono essere utilizzati anche per coprire un'ampia gamma di diversi intervalli di misurazione.

Cella di carico con compensazione elettromagnetica
La cella di carico con compensazione elettromagnetica (anche nota come EMFC per la sigla inglese electromagnetic force compensation), genera un campo magnetico attorno a una bobina sotto corrente. Un sensore di posizione rileva quando la bobina si abbassa per l'applicazione di una forza. Il sensore invia il segnale a un controller che aumenta la corrente della bobina fino a raggiungere nuovamente la posizione originale. Pertanto, la posizione è la stessa nello stato con carico e senza carico, poiché la cella di carico compensa elettromagneticamente l'effetto della forza. La cella di carico EMFC misura con precisione anche forze molto piccole. La corrente richiesta è proporzionale al carico.

Cella di carico piezoelettriche
Quando si applica un carico si crea sulla superficie dei cristalli piezoelettrici una carica proporzionale alla forza applicata. L'effetto che provoca su alcuni cristalli con assi polari fu scoperto nel 1880 da Pierre e Jacques Curie. Poiché il carico viene mantenuto solo per un breve periodo, questo principio è particolarmente adatto per rapide variazioni, brevi picchi di carico o per misurazioni continue con registrazione continua. Anche i carichi dinamici con frequenze fino a 100Hz possono essere misurati con una cella di carico piezoelettrica. Il corretto posizionamento di più elementi consente misurazioni multi-asse.
Ai sensori di forza al quarzo viene collegato un amplificatore per cella di carico. Questo rileva le variazioni di carico, le converte in informazione e le trasferisce su schermo o su un supporto di memorizzazione. La cella di carico piezoelettrica misura i carichi dinamici in modo rapido e con elevata sensibilità.

Criteri di scelta della cella di carico
Le seguenti domande essenziali possono essere di aiuto nella scelta della cella di carico più adeguata:
- Che tipo di forza deve misurare la cella di carico?
- È richiesto un adattatore speciale per il lavoro di misurazione?
- Quali sono le forze massime?
- Che precisione è richiesta?
- È necessario registrare i valori di misura?
- Si utilizzerà la cella di carico in condizioni ambientali speciali?

Tipi di forza nella cella di carico
Il design della cella di carico si distingue in base al lavoro di misurazione. Un fatto importante è sapere se verranno misurate forze statiche o dinamiche. A partire da qui si distingue tra
- celle di carico che misurano solo forze di trazione o di compressione
- celle di carico che misurano forze di trazione e compressione in modo bidirezionale
- celle di carico che misurano il momento torcente

Adattatore per cella di carico
Alcune celle di carico offrono la possibilità di collegare adattatori speciali. I sensori di forza estensimetrici a forma di S hanno un foro filettato metrico nella parte superiore e inferiore della cella. Ciò consente di collegare vari puntali di misurazione con superfici circolari, sferiche o coniche per la misurazione della forza di compressione, oppure ganci, gommini o elementi di fissaggio per fissare il campione per misurare la forza di trazione.

Forza massima di una cella di carico

Per ogni cella di carico si specifica una forza massima. Fino a un certo range di forza si applica la precisione specificata. Alcune celle di carico si rompono al superare quel range di una piccola percentuale.

Per altri sensori di forza si specifica un fatto che definisce il sovraccarico che può tollerare la cella di carico senza soffrire danni. Si distingue in genere tra il carico nominale, il carico limite e il carico di rottura. Alcune celle di carico o dinamometri hanno integrata una protezione da sovraccarico per evitare che la cella di carico si danneggi o si rompa. Pertanto, quando si sceglie una cella di carico, bisogna tenere presente non solo il range di misura previsto, ma anche se esiste la possibilità che si producano sovraccarichi indesiderati.

Precisione della cella di carico
In base al design e al range di misura, la cella di carico può raggiungere differenti precisioni. Dobbiamo sottolineare che una cella di carico ad alta precisione può raggiungere tale precisione solo se vengono rispettate le condizioni ambientali specificate. La precisione e la risoluzione dello schermo non sono identiche. Questo è un fattore da tener presente quando si sceglie la cella di carico e nella valutazione dei risultati della misurazione.

Opzioni di memorizzazione per una cella di carico
Per alcune misurazioni può essere sufficiente visualizzare direttamente il risultato sullo schermo, ad esempio quando si pesa la frutta. Tuttavia, se i valori di misura devono essere memorizzati direttamente o devono essere utilizzati per calcoli successivi, offriamo celle di carico per trasmettere i dati. Una semplice cella di carico a molla o una cella di carico idraulica può indicare il valore massimo di una serie di misurazioni tramite un indicatore a lancetta. Ma i sensori di forza elettronici offrono molte più possibilità. Il trasferimento elettronico dei dati all'unità di visualizzazione e valutazione consente di memorizzare, convertire e trasferire i valori di misura. Il segnale di una cella di carico elettrica può essere valutato direttamente e inviato a un dispositivo di allarme, un contatto di commutazione oppure visualizzato e memorizzato in un computer. Quando si misura una forza dinamica, è necessario tenere in considerazione l'intervallo di tempo in cui la cella di carico del trasduttore di forza può rilevare le variazioni di forza.

Requisiti della cella di carico rispetto all'ambiente
In base al principio di misurazione, alcune celle di carico funzionano in modo affidabile solo a certe condizioni di temperatura, umidità, carica elettrica o magnetica. Una cella di carico per la valutazione delle grandezze elettriche, è molto più sensibile di una cella di carico meccanica. I display digitali per i dinamometri e le celle di carico possono essere utilizzati solo se i valori di temperatura e umidità sono adeguati. Per alcune applicazioni sono adeguati i sistemi meccanici e idraulici.