CELLE DI CARICO

Che cosa sono le celle di carico?

Le celle di carico sono trasduttori, quindi componenti elettronici, utilizzati per misurare le forze applicate su un oggetto – in genere componenti meccanici. Questi sensori misurano infatti il segnale elettrico dipendente dalla deformazione che la forza esercita sull’oggetto. Il loro utilizzo è comune nei sistemi di pesatura industriali, ma anche per determinare forze meccaniche di compressione e trazione. Tramite gli estensimetri installati al loro interno, le celle di carico rilevano quindi in modo indiretto la deformazione meccanica di un oggetto leggendolo, solitamente, attraverso i Volt o i millivolt.

Portare il discorso in profondità può far credere che si tratti di strumenti molto specifici, utilizzati solo in determinati contesti. Nella nostra vita quotidiana, tuttavia, incontriamo le celle di carico molto spesso. O meglio, più di quanto si possa credere. Un esempio pratico, forse banale ma immediato, può essere proprio quello della bilancia su cui ogni tanto ci pesiamo. Oppure, quella bilancia presente in tutti i supermercati, al banco della frutta e della verdura. E allargando ancora un po’ questa prospettiva – restando per un attimo fuori dall’ambito industriale, che trova Nanolever in prima linea – persino Amazon Go, il supermercato del futuro, fonda la sua esistenza sulle celle di carico.

Il fatto è che questi sensori sono praticamente invisibili. Si trovano, infatti, all’interno dei macchinari utilizzati per la pesatura, sia che si tratti di sistemi di pesatura industriali che di piccole bilance alimentari. O bilance di tutt’altro tipo ancora, come bilance da orafo, bilance farmaceutiche, bilance per veicoli… insomma, le celle di carico vengono utilizzate molto frequentemente.

Utilizzo delle celle di carico

Le celle di carico convertono in segnale elettrico la forza di peso di ciò che viene appoggiato sulla bilancia. Questo permette di determinare la massa dell’oggetto in questione. È quindi corretto affermare che le celle di carico sono il cuore della bilancia: si tratta, infatti, di sensori fondamentali per qualsiasi sistema di pesatura. Non a caso, come abbiamo anticipato, l’impiego delle celle di carico comprende  ambiti anche molto disparati tra loro. Questo perché il loro utilizzo consente di misurare dai microgrammi alle tonnellate. Ecco quini un piccolo elenco di situazioni in cui le celle di carico trovano i loro impieghi più comuni.

– Dosaggio e smistamento di prodotti alimentari e sistemi di riempimento bottiglie e lattine (industrie di trasformazione)

– Controllo qualità per l’industria farmaceutica

– Pesatura di mezzi di trasporto (autocarri, vagoni dei treni, navi, tramogge, serbatoi, ecc.)

– Carichi su funi

– Rilevazione di sforzi meccanici

– Banchi prova

Come funziona una cella di carico?

Ricapitolando, le celle di carico sono trasduttori, ovvero componenti elettronici atti a misurare la forza applicata su un oggetto. Ciò è possibile per via di un segnale elettrico che si aggiorna al modificarsi della deformazione prodotta dalla forza. Sono dispositivi estremamente versatili, ideali per i sistemi di pesatura industriali proprio per via della loro precisione, praticità e semplicità di utilizzo. In base alla forza applicata, infatti, la cella rilascia un segnale che viene tradotto in un valore numerico indicante la misura della massa.

Come scegliere una cella di carico?

Verificare la precisione

Linearità e ripetibilità determinano la precisione di ogni singola cella di carico. La precisione è espressa come fondo scala (±% FS), e indica la portata del trasduttore. Temperature troppo elevate possono facilmente inficiare la precisione, tuttavia la maggior parte delle celle di carico è di tipo auto-compensante. Ulteriori difficoltà possono essere superate con la realizzazione di sensori su misura (O.E.M.).

Condizioni ambientali

Come anticipato alcuni fattori ambientali possono essere determinanti nella misura del peso industriale. È quindi necessario tenere conto, per esempio, dell’intervallo della temperatura di funzionamento e del rumore ambientale (le vibrazioni, che Sigma Low è stato realizzato per eliminare). Un altro fattore di cui tener conto è ovviamente l’impermeabilizzazione ambientale (Classificazione IP), poi se la zona di funzionamento del sistema di pesatura richiede una certificazione ATEX.

L’utilizzo interno oppure esterno delle celle di carico, infine, permette di determinare il livello di sigillatura necessario per contrastare l’infiltrazione di acqua o polvere. Nei casi di usi esterni infatti si può considerare l’installazione di protezioni meccaniche aggiuntive. Le celle di carico ermeticamente sigillate proteggono, infatti, sia dalle sostanze chimiche che dall’umidità presente anche con valori elevati. Si tratta di trasduttori realizzati con acciaio inossidabile e con barriere saldate per proteggere l’estensimetro dalle condizioni ambientali.

Dimensioni e portata

La cella di carico verrà esposta a sovraccarichi, ecceso di peso o altre particolari condizioni di sforzo meccanico? Occorre essere certi che i risultati siano affidabili e ripetibili in qualsiasi condizione. In un impianto industriale infatti tutte le celle di carico devono avere la stessa capacità di pesatura.

Un altro aspetto importante da valutare è il seguente, ovvero il rientrare nei vincoli di natura meccanica. A seconda di come è strutturata la linea automatica è infatti possibile adattare diversi tipi di celle di carico. Tuttavia, in alcuni casi, possono essere necessarie esclusivamente celle di dimensioni specifiche. Infine, l’installazione della cella rappresenta un ulteriore particolare primario di cui tenere conto. Si tratta infatti di un’accortezza fondamentale per poter garantire una pesatura precisa ed efficace.

Come abbiamo anticipato, esistono diverse tipologie di celle di carico. Tipologie che si fondano, ovviamente, su principi di misura molto diversi tra loro. Per esempio: sistemi capacitivi, estensimetrici, a stato solido e a compensazione elettromagnetica. Altre tipologie di sensori utilizzati di frequente sono le celle di carico con lamina in flessione, le celle con forza di compressione e, infine, quelle in trazione. Ognuna di queste si basa su principi di funzionamento specifici. La scelta di una tipologia a discapito dell’altra, infatti, si determina in base alle esigenze delle aziende. Sono, quindi, scelte puramente funzionali.

In ogni caso, la maggior parte di questi sensori è di tipo elettronico. E subito dopo, in ordine di importanza – frequenza di utilizzo -, troviamo quelle idrauliche – o che dir si voglia idrostatiche. In genere queste ultime vengono utilizzate all’aperto, per evitare alcune problematiche che, in condizioni particolarmente specifiche, possono verificarsi con le celle di carico più tradizionali.

Le bilance più diffuse sono quelle off-center. Questi sistemi di pesatura presentano diverse particolarità che le rendono interessanti nella misura del peso. Bilance del genere consentono, infatti, di utilizzare un piatto per depositare la massa da pesare ovunque sia il punto in cui appoggiare l’oggetto. Il centro di gravità coincide con il punto di applicazione del piatto alla cella. Quest’ultimo, ovviamente, si trova in linea con l’asse di applicazione della forza previsto da progetto.

Queste celle sono inoltre di piccole dimensioni, quindi semplici da posizionare in macchine e attrezzi. Le loro dimensioni e geometrie rimangono tali anche quando il fondo scala cambia, aumentando il valore. Cio significa che le dimensioni esterne di queste celle rimangono identiche passando, per esempio, da una portata da 1 Kg a 30 Kg. Quello che cambia è solamente lo spessore della cartella dello scavo della cella.

Le bilance a compensazione elettromagnetica sono strumenti particolarmente sofisticati. Tanto da meritarsi un piccolo paragrafo a parte. Si tratta di bilance che non utilizzano celle di carico, e che sono molto utili per rilevare precisioni di misura estremamente accurate, ad alta velocità.

Il loro funzionamento è simile per analogia a quello di una bilancia a bracci. Da una parte si trova il peso. Dall’altra invece un cilindro magnetizzato, che entra all’interno di un solenoide – una bobina elettromagnetica -, il quale attrae quel cilindro magnetizzato fintanto che il braccio non si riallinea sullo zero. E che quindi equilibra il peso avvertito dal lato opposto. Dentro la bobina, per modificare il campo magnetico, viene introdotta una corrente che determina la quantità di microgrammi – il peso – da trasdurre.

Ricapitolando, una cella di carico è una struttura geometrica in metallo, in cui si sfrutta il campo elastico della sua deformazione. Ma in che senso si utilizza la sua capacità di deformarsi? Attraverso gli estensimetri. Applicandoli su di essa infatti si trasduce il segnale di deformazione (tensione) in valori numerici che rappresentano la misura del peso. Ogni volta che un prodotto viene posizionato sopra la cella è così possibile determinarne il valore del peso.

Gli estensiemtri sono quindi fondamentali per misurare questa deformazione. Nel caso più comune l’estensimetro è di tipo resistivo, e viene posizionato nel punto in cui il sensore subisce la maggiore deformazione. Pertanto si deforma esattamente come si deformano le celle. E in fase di deformazione la resistenza elettrica si modifica. Perché la compressione – o l’allungamento – del filamento della resistenza, modifica anche la resistenza opposta allo scorrimento degli elettroni da parte del materiale di cui è composta.

Il principio di trasduzione estensimetrico

Il principio di trasduzione è abbastanza semplice da spiegare. In sostanza, ogni singola volta che grava una massa sul sensore, quest’ultimo si deforma a seguito del peso associato alla massa. Che è, a sua volta, dipendente dalla forza di gravità terrestre.

Il funzionamento degli estensimetri

Nella quasi totale maggioranza dei casi, gli estensimetri sono posizionati su materiali che possono subire deformazioni se sottoposti a una forza (per questioni di elasticità). Come abbiamo visto le celle sotto carico subiscono una certa deformazione, tuttavia una volta rimosso il prodotto da pesare i metalli tornano alla posizione di partenza. È proprio in questo momento che entrano in gioco gli estensimetri. La loro presenza è infatti fondamentale per rilevare le variazioni e le deformazioni interpretate dall’elettronica a bordo del sistema di pesatura.

Può essere utile a questo punto offrire una breve panoramica degli estensimetri. Si tratta di strumenti di misura utilizzati per rilevare piccole deformazioni dimensionali. Deformazioni che possono essere causate sia da una sollecitazione meccanica – dall’applicazione di un carico – che da una sollecitazione di tipo termico. Gli estensimetri sono collegati ad una pellicola: quando viene tirata, finisce per allungarsi insieme ai conduttori. Quando invece si contrae si restringe. La conseguenza di queste variazioni è un cambiamento di resistenza nei conduttori. E la deformazione si misura in funzione di questo principio, poiché la resistenza in questo caso, aumenta – mentre, viceversa, diminuisce in fase di contrazione.

Dato lo stretto legame tra gli estensimetri e i componenti ai quali sono collegati, gli estensimetri possono essere definiti come solidali a questi ultimi. La resistenza elettrica viene misurata tramite un circuito a ponte di Wheatstone. Il filo dell’estensimetro segue, infatti, la deformazione del componente a cui è collegata. Mentre la misurazione della differenza di potenziale permette di risalire al valore della deformazione.

Utilizzo degli estensimetri resistivi

Nei punti di maggiore deformazione delle celle di carico sono incollati uno o più estensimetri. Gli esperti di misure estensimetriche chiamano – in funzione del numero di estensimetri utilizzati – le configurazioni: ponte intero, mezzo ponte o un quarto di ponte (se, rispettivamente, si utilizzano quattro estensimetri, due, o uno soltanto).

Questi termini non devono indurre in errore perché il circuito utilizzato per la misurazione è sempre incompleto. Il ponte completo si forma tramite resistori incollati in zone in cui non si creano deformazioni. Oppure, dove sono presenti all’interno della strumentazione per il condizionamento del segnale.

Celle di carico: temperatura e resistenza elettrica

La temperatura determina variazioni nella resistenza elettrica dei materiali conduttivi. E all’aumentare della temperatura, aumenta anche la resistenza elettrica. Quindi l’aumento del rumore elettronico che determina una minore precisione della misura del peso industriale. Oltre ad influire sull’agitazione elettronica, infatti, la variazione della temperatura impone variazioni dei volumi dei corpi e dei liquidi. Gli estensimetri sono sensibili alle variazioni di calore, per cui, se queste ultime non sono compensate, possono causare errori di misura anche importanti.

Sollecitazioni di tipo elettrico

La resistenza elettrica è variabile rispetto alla temperatura: ovvero, aumentando quest’ultima, aumenta anche la resistenza elettrica (e viceversa). La temperatura pertanto introduce degli errori di misura – che sono corretti dallo stesso principio di funzionamento del ponte di Wheatstone. A tal proposito, alcune resistenze della configurazione elettronica vengono utilizzate proprio per compensare la variazione della temperatura che può avvenire durante la misura del peso.

Nella più ampia maggioranza dei casi, l’utilizzo dei sistemi di pesatura avviene a temperatura ambiente. Mai al di sotto dei 10 gradi, e raramente al di sopra dei 40. Per un ponte di Wheatstone, infatti, annullare l’effetto della temperatura è intrinseco. Per cui il problema non si pone (se si dispone dei giusti strumenti).

Qual è l’unico aspetto che può rendere, nelle misure di estrema precisione, problematica la deriva della temperatura? La risposta può apparire ovvia ad un occhio esperto. Cioè che le resistenze che formano il ponte non abbiano tutte la medesima precisione, e quindi non siano esattamente uguali. È allora chiaro che, se non lo sono, misureranno risposte in temperature leggermente diverse.

Variazioni di temperatura ed elettroni di conduzione

Tutte le misure di grande precisione risentono della temperatura. I metalli, per esempio, si comprimono e dilatano facilmente a seconda del caldo o del freddo. La variazione è minima, certo, però avviene. (E un discorso simile vale anche per i liquidi). Le misure elettriche, in sostanza, sono quelle che risentono maggiormente della temperatura. Questo perché all’interno di un conduttore la variazione di temperatura modifica sostanzialmente il moto caotico degli elettroni. Cioè, maggiore è la temperatura, maggiore è il loro movimento caotico – che disturba il moto degli altri elettroni. E con l’aumentare del rumore di fondo, diminuisce la capacità della bilancia di misurare più precisamente possibile. A tal proposito i materiali super-conduttori vengono impiegati, nei sistemi di pesatura industriali, a bassissime temperature. In questo modo diventa infatti possibile limitare il moto degli elettroni – lasciando scorrere solamente quelli di conduzione.

Celle di carico: come controbilanciare la temperatura

La maggioranza delle celle di carico sul mercato è di tipo auto-compensante in temperatura. Si tratta di sensori che utilizzano estensimetri anche loro auto-compensanti, nati per equilibrare le modifiche espansive dei metalli tipici delle celle di carico. Oltre all’uso di questo tipo di estensimetri, anche il collegamento ad un ponte di Wheatstone consente di gestire quest’aspetto. Questo perché collegando due estensimetri ad un ponte di Wheatstone si ottiene il raddoppio del segnale. Pertanto, se si verifica una deformazione in funzione della temperatura, la deformazione appare a entrambi gli estensimetri con stesso segno. In questo modo si annullano reciprocamente gli effetti.

Gli effetti delle forze parassite

Le forze parassite sono forze che non hanno effetto nella direzione desiderata dalla cella di carico. Bensì, possono provenire dai lati, da sotto o da un’altra direzione ancora. La loro provenienza – o la loro intensità -, infatti, è strettamente correlata al funzionamento della macchina automatica. Il rischio è quello di progettare una macchina automatica che agisce sulle celle di carico in modo scorretto, con forze parassite capaci di influenzare negativamente il risultato di misura del peso. Le celle di carico infatti non sono state realizzate per questo scopo: è necessario, nei posizionarle, essere certi che non vi siano troppe influenze esterne.

Tuttavia il sistema di pesatura Sigma Low, brevettato da Nanolever, elimina alla radice questo problema. Il posizionamento delle celle di carico, infatti, non risente in alcun modo di eventuali forze esterne. Tanto che è stato realizzato come soluzione per gli errori di misura indotti dalle vibrazioni dei macchinari industriali.

Precisione delle celle di carico

Le celle di carico estensimetriche a correzione elettronica possono raggiungere livelli di precisione molto elevati. Ovviamente, in base a che tipo di prodotto si desidera pesare, si scelgono una determinata bilancia ed una tipologia di celle di carico. Un certo sistema di pesatura può essere appropriato per misurare sabbia e ghiaia, altri sono indicati per frutta e verdura, mentre altri ancora sono adatti per la misura del peso di metalli preziosi – oppure dei medicinali.

Installazione e verifica legale

Una volta installata, qualsiasi cella di carico deve essere anche verificata in base alle sue reali funzioni. Ciò significa che tararla non basta. Taratura e verifica legale sono, infatti, processi per cui è fondamentale imbastire un controllo. Così facendo è possibile accorgersi di eventuali problematiche come le forze parassite, o che la classe di precisione corrisponda a quella stabilita.

Tecnologie di pesatura: il sistema Sigma Low

Nanolever ha brevettato un sistema di pesatura con l’obiettivo di risolvere il dannoso problema delle vibrazioni, tipico dei macchinari industriali. Questi ultimi, infatti, vibrando, possono falsare il risultato ed indurre le industrie di trasformazione a commettere sostanziali sprechi di materia prima. Per quanto riguarda la misura della massa da pesare, il sistema di pesatura Sigma Low è basato su una cella off-center. Il peso apparente, invece, viene misurato da un sistema dedicato. Per approfondire, clicca qui. E non esitare a contattarci per qualsiasi necessità inerente ai sistemi di pesatura.