Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Neste artigo, discutiremos como você pode medir o peso com sensores de célula de carga, com detalhes suficientes para que você:

  • Veja como funcionam os sensores de célula de carga
  • Aprenda como as medições de peso são feitas na teoria e na prática
  • Entenda como você pode incorporá-los em seus testes

Você está pronto para começar? Vamos!

O que é uma célula de carga?

Uma célula de carga é essencialmente um transdutor de força ou sensor de força. É usado principalmente para medir peso. E embora eles possam ser usados para medir outras forças, como torque, compressão, pressão, etc., vamos nos concentrar nas aplicações de medição de peso neste artigo. 

An example load cell sensorUm exemplo de sensor de célula de carga
Fonte da imagem: Daraceleste / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Embora a gravidade seja a mais fraca das quatro forças fundamentais que impedem o universo de se separar, é a única que podemos perceber diretamente. Tudo na Terra que tem massa experimenta isso, conforme ação da da gravidade que o puxa em direção ao núcleo magnético  no centro do nosso planeta. Peso e massa são conectados pela gravidade.

A unidade de medida de peso padrão mundial é o quilograma (kg). Mesmo nos EUA, onde as medidas de peso, distância e volume ainda são amplamente utilizadas pelo público, essas unidades são referenciadas ao sistema SI métrico.

Assim, uma libra (de peso) nos EUA não é definida por outra medida, mas oficialmente entende-se como 0,45359237 kg. A forma como calculamos a massa em quilogramas foi definida pelos cientistas mundiais em 2019 para fazer referência à constante de Planck e removê-la é uma referência a um espécime físico.

Se você remover a gravidade, um objeto não pesa literalmente nada, mas sua massa permanece inalterada. Quando você pesa algo, você está realmente medindo a massa desse objeto no que se refere a este planeta. Portanto, na verdade, uma célula de carga mede a massa. Mas só é relevante em termos do que significa aqui na terra.

Existem várias tecnologias básicas usadas nas células de carga, como células de carga pneumáticas (frequentemente usadas em aplicações de segurança intrínseca). As células de carga hidráulica não requerem energia e, portanto, são usadas com frequência em locais remotos e de difícil acesso. Existem também células de carga piezoelétricas que fornecem uma saída de alto nível (ainda não linear).

Mas vamos nos concentrar em células de carga baseadas em strain gage, elas são o tipo mais comum usado no mundo hoje. Eles são baratos, muito confiáveis e estão disponíveis para lidar com uma ampla gama de entradas de força. Eles são o padrão de fato da indústria de pesagem e fornecem uma precisão de escala total de 0,25% ou melhor.

Você pode até usar uma máquina baseada em células de carga de medidor de tensão todas as manhãs, mesmo sem perceber. Pode ser algo assim:

The digital bathroom scale is a strain gage-based load cell deviceA balança de banheiro digital é um dispositivo de célula de carga baseado em extensômetro

Enquanto as balanças mecânicas clássicas usam uma série de alavancas para distribuir o peso aplicado e acionam uma mola conectada a um mostrador mecânico, a maioria dos modelos digitais de hoje usa várias células de carga baseadas em extensômetro para calcular seu peso.

Quando você pressiona o pé uma vez na placa de medição, o microcontrolador “acorda” e executa uma calibração de deslocamento zero dos strain gages. O display digital então indica 0,0 kg (ou lbs) e está pronto para você subir e se pesar.

Em melhores balanças de banheiro digital, uma célula de carga baseada em extensômetro é colocada em cada um dos quatro cantos da balança. Na verdade, eles costumam ser embutidos nos “pés” da balança. Duas das células de carga são posicionadas no modo de tensão e as outras duas são posicionadas no modo de compressão.

Quando você pisa na balança, o microcontrolador pega seus resultados e os converte em um valor de peso agregado na unidade de medida selecionada e exibe esse número em um medidor. Alguns modelos até empregam um termopar para medir a temperatura ambiente e incluí-la na equação, uma vez que os extensômetros são sensores baseados em resistência e são afetados pela temperatura.

OK, isso foi divertido, mas agora vamos dar uma olhada nas células de carga usadas para aplicações de DAQ de medição científica.

Como funciona uma célula de carga baseada em Strain Gage?

Um strain gage (também conhecido como “strain gauge”) mede a deformação por meio de uma mudança na resistência. Um padrão de folha de metal é montado em um substrato flexível, que também serve como isolante. Uma corrente é passada pelo padrão de folha. Quando o objeto em teste é tensionado (isto é, comprimido ou colocado sob tensão), há uma mudança na resistência que é proporcional à quantidade de deflexão.

Full bridge strain gage sensor schematicSensor extensômetro de ponte completa

Quando um condutor é esticado, sua resistência aumenta. Quando é comprimido, sua resistência diminui. Essa mudança na resistência pode ser medida usando uma ponte de Wheatstone, que é composta por quatro sensores extensômetros dispostos em um padrão.

Strain gage operation (bending exaggerated for clarity)Operação de Strain Gage (flexão exagerada para maior clareza)
Imagem cortesia de WikiCommon

Wheatstone bridge diagram by DewesoftDiagrama da ponte de Wheatstone

Medindo com todos os quatro sensores, você obtém uma configuração de ponte completa. No diagrama de ponte completa acima, a tensão de saída do sensor é medida em C e B, enquanto a tensão de excitação é fornecida em A e D.

Portanto, quando montamos um medidor de tensão em um alojamento mecânico e, em seguida, sujeitamos esse alojamento a tensão ou força, como peso, o medidor medirá a compressão ou tensão relativa causada por essa força. A combinação de tal alojamento com o sensor de strain gage montado nele é uma célula de carga.

Agora vamos ver as várias formas e tamanhos dessas células de carga e como são usadas.

Aplicações de medição de células de carga

Há virtualmente um número ilimitado de aplicações possíveis para células de carga, grandes e pequenas. Aqui estão apenas alguns que vêm à mente:

  • Teste de materiais - medindo os pesos das peças à medida que são fabricadas para consistência
  • Aeroespacial - testando o impulso dos motores a jato, medindo a carga nas rodas e material rodante
  • Marinha - monitorar as tensões nas linhas de atracação à medida que elas se estendem sob a carga do navio em movimento com a água
  • Transporte - medições de torque em motores elétricos, a gasolina e diesel, monitoramento de carga por eixo, cargas de rodas de trens e caminhões, medição de pesos de carga em estações de pesagem de rodovias
  • Industrial - medições de força em caixas de engrenagens e bombas, medições de tensão em aplicações de assentamento de tubos submarinos, medições de tensão e força em aplicações de fábrica de papel e aço, tremonha e pesagem de vasos
  • Médico / Saúde - Camas hospitalares que pesam o paciente, balanças de precisão para incubadoras de bebês e crianças, medições de carga em aparelhos de fisioterapia e exercícios.
  • Construção - Forças de cabos em elevadores, forças em andaimes de acordo com as normas internacionais. Para obter uma nota de aplicação interessante, consulte https://dewesoft.com/case-studies/scaffolding-test-safety-approval
  • Entretenimento - células de carga do tipo S são instaladas no meio dos cabos usados para içar acrobatas e atores, garantindo que as forças não excedam os níveis prescritos
  • Petroquímica - medindo as forças nas ferramentas de perfuração de petróleo e gás
  • Agricultura e Pecuária - Medição do peso do gado passando por rampas, medição de forças nos cabos e equipamentos de hospedagem, tremonha, tanque e pesagem do silo
  • Doméstico / consumidor - balanças de banheiro digitais

Quando consideramos a grande variedade representada por apenas uma dúzia ou mais de aplicações, fica claro que as medições de força e peso são semelhantes às medições de temperatura, pois são fundamentais para dezenas de milhares de aplicações em praticamente todos os setores.

Considerações ao usar células de carga

Classificações de carga máxima

É importante escolher uma célula de carga que não apenas corresponda ao tipo ou direção da carga que você deseja medir, mas que também seja classificada para lidar com a carga máxima prevista.

Por exemplo, as células de carga são classificadas em termos de seu kg máximo (ou lbs.). Para medir até 1000 kg, você obviamente quer uma célula de carga com pelo menos 1,5 a 2 vezes esse peso.

Calibração de dois pontos e zeragem

A folha de calibração com a qual cada célula de carga é enviada irá mostrar a você a tensão de excitação preferida e a sensibilidade dos extensômetros embutidos nela. Você precisará deles para configurar o software para medir com precisão a saída na unidade de medida desejada, geralmente kg ou lbs.

No software Dewesoft X é muito fácil realizar uma calibração ZERO de qualquer sensor, por exemplo, remova todas as cargas e pressione ZERO no software (assim como sua balança de banheiro faz automaticamente). Você também pode realizar uma calibração de 2 pontos usando uma carga de referência conhecida, garantindo que sua célula de carga está produzindo valores lineares corretos entre zero e a carga de referência que você aplica.

Strain gage load cell channel setup inside Dewesoft X DAQ softwareConfiguração e calibração de uma célula de carga dentro do software Dewesoft X DAQ

Considerações ambientais

Se a célula de carga for usada em um ambiente que contém gases corrosivos, água, vapor, etc., uma célula de carga classificada como resistente à corrosão deve ser usada. Células de carga de aço inoxidável que são seladas (procure por altos índices de IP como IP65 e acima), são feitas especificamente para esses ambientes hostis. E, claro, qualquer sensor ou sistema que será usado em uma atmosfera explosiva deve ser certificado como intrinsecamente seguro e / ou à prova de explosão, dependendo dos requisitos regulamentares.

Tipos de células de carga

Existem células de carga feitas em vários formatos e tamanhos, para uma variedade de aplicações. Aqui estão os principais disponíveis hoje:

  • Células de carga de barra / feixe de dobra
  • Células de carga da vasilha
  • Células de carga S-Beam
  • Células de carga de orifício / rosca
  • Células de carga tipo Panqueca
Modelo Barra / Viga de dobra Vasilha S-Beam Através dos-
Buraco / Donut
Panqueca
Imagem Bar / Bending Beam type load cell Canister type Load cell S-Beam type load cell Through- Hole / Donut type load cell Pancake type load cell
Formulário(s)

Formulários)
Usado para medir peso. Excelente em fazer medições fora do centro

Usado para medir cargas de compressão Ele pode ser usado para compressão e tensão. Pode ser conectado no meio de um cabo de aço para Tipo mais robusto para alta compressão e tensão. O (s) orifício (s) permitem que a estrutura passe através da célula de carga. Tipos de carga mais altos, atingindo 100 kg (220.000 lbs) ou mais de compressão e tensão.
Pode medir Tensão e compressão Compressão Tensão e compressão Compressão apenas OU tensão e compressão Tensão e compressão

Células de carga de barra / feixe de dobra

Também há uma distinção entre células de carga de ponto único e modelos de compressão de serviço pesado que distribuem a carga por quatro ou mais sensores extensômetros para maior precisão e / ou capacidade. Os itens acima representam apenas alguns dos principais tipos de células de carga. Existem muitos outros, bem como vários tipos de especialidades projetados para aplicações e ambientes especiais. Existem células de carga em miniatura e ultraminiatura de perfil baixo que podem ser usadas em locais muito pequenos. Na outra extremidade do espectro, existem células de carga usadas para medir centenas de toneladas, que são bastante grandes por razões óbvias.

Bar or bending beam type load cellCélula de carga de feixe de curvatura típica
Fonte da imagem: Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Células de carga de barra ou feixe de dobra (também conhecido como feixe binocular) são comumente usados para aplicações de pesagem industrial. Uma extremidade da barra é fixada a uma estrutura, enquanto uma força é aplicada à extremidade livre do sensor (veja F no gráfico acima).

Essa força faz com que os quatro medidores de tensão integrados na parte superior e inferior e em cada extremidade da célula de carga se alongam ou comprimem, dependendo de quanto a aplicação ou remoção da força exerce pressão sobre a estrutura da célula de carga. Essas pequenas mudanças no potencial dos strain gages são facilmente convertidas em peso com nosso software de aquisição de dados Dewesoft X.

Bending beam load cell applicationAplicação de célula de carga de feixe de dobra

Células de carga de estilo canister

Também conhecida como uma “célula de carga do recipiente”, uma célula de carga de compressão é o tipo mais fundamental de célula de carga. É usado principalmente como balança industrial para medir o peso de uma carga que é colocada sobre ela. Ela recebe o nome de sua forma de vasilha.

Canister type load cell sensoerCélula de Carga Tipo Cannister Típico
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Células de carga S-Beam

As células de carga S-Beam também são adequadas para aplicações de empurrar / puxar. Eles recebem seu nome de sua forma distinta. Eles são normalmente conectados no centro de um cabo de aço. Imagine um cabo sendo usado para içar uma carga pesada.

Typical s-beam type load cell sensorCélula de carga de viga S típica
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Células de carga de orifício / rosca

Alguns desses tipos são feitos apenas para compressão, enquanto outros estão disponíveis para compressão e tensão. O orifício central permite que parte da estrutura passe pela célula de carga, se necessário. Alguns modelos têm orifícios de passagem adicionais dispostos ao redor do orifício central para conexões mecânicas adicionais.

Trough-hole or donat type load cell sensor

Donut Típico / Célula de Carga Através do Orifício
Imagem cortesia de Forsentek

Células de carga tipo Panqueca

As células de carga da panqueca são projetadas para aplicações onde ocorrerão tensão e compressão (puxar e empurrar).

Pancake type load cell sensorCélula de carga tipo panqueca típica
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Sistemas de aquisição de dados compatíveis com Dewesoft Load Cell

Sistemas SIRIUS DAQ

Os sistemas SIRIUS DAQ oferecem tecnologia DualCoreADC® que impulsiona dois conversores ADC delta-sigma de 24 bits com um filtro anti-aliasing em cada canal, alcançando surpreendentes 160 dB de faixa dinâmica nos domínios do tempo e frequência, com até 200 kS / s / ch taxa de amostragem por canal.

Os módulos SIRIUS podem conter até 8 ou 16 canais de entrada analógica. Cada sistema SIRIUS DAQ inclui o software de aquisição de dados Dewesoft X premiado para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento, análise e geração de relatórios.

SIRIUS modular DAQ systems

A lista de amplificadores SIRIUS compatíveis com sensores de célula de carga:

  • SIRIUS STG (8 canais), 200 kS / s, suporta todos os tipos de tensão, faixa de entrada alta
  • SIRIUS STGM (8 canais) 200 kS / s, baixa potência, sensor e equilíbrio de amplificador
  • SIRIUS-LV (8 canais), 200 kS / s, suporta conexão de ponte completa
  • SIRIUS-HD STGS (16 canais) 200 kS / s, baixa potência, sensor e equilíbrio do amplificador
  • SIRIUS-HS STG (8 canais) 1 MS / s, suporta todos os tipos de tensão, faixa de entrada alta
  • SIRIUS-HS-LV (8 canais), 1 MS / s, suporta conexão de ponte completa

Para obter mais informações, visite a página do sistema SIRIUS DAQ.

Sistemas KRYPTON DAQ

A família KRYPTON DAQ oferece módulos de strain gage robustos com 1, 3 ou 6 canais por módulo. Muitos outros módulos KRYPTON e KRYPTON ONE estão disponíveis, para outros tipos de sensores e sinais. Os módulos KRYPTON DAQ oferecem grau de proteção IP67 e são feitos para os ambientes operacionais mais difíceis - choque, vibração e temperaturas extremas. Cada sistema KRYPTON inclui o software de aquisição de dados Dewesoft X premiado para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento, análise e geração de relatórios.KRYPTON rugged DAQ modules

A lista de módulos KRYPTON DAQ que são compatíveis com sensores de célula de carga:

  • KRYPTON-3xSTG e KRYPTON-6xSTG: Módulo DAQ de 3 ou 6 canais que suporta todos os tipos de strain gage e alta faixa de entrada.
  • KRYPTONi-1xSTG: Módulo DAQ de 1 canal isolado que suporta todos os tipos de tensão e alta faixa de entrada.

Para obter mais informações, visite a página do sistema KRYPTON DAQ.

IOLITE DAQ e sistemas de controle

IOLITE DAQ e sistema de controle combinam aquisição de dados poderosa com controle em tempo real via interfaces EtherCAT duplas. Observe que o IOLITE-6xSTG também aceita módulos DSI que o adaptam para lidar com uma ampla variedade de outros sensores. Disponível em um modelo de rack de 19 ”e também em um modelo de bancada. Cada sistema IOLITE inclui o software DEWESoft X premiado para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento, análise e geração de relatórios.

IOLITE DAQ and Control system

A lista de módulos IOLITE DAQ que são compatíveis com sensores de célula de carga:

  • IOLITE-6xSTG (6 canais) Suporta todos os tipos de tensão, faixa de entrada alta

Para obter mais informações, visite a página IOLITE DAQ e sistema de controle.

Sistema DEWE-43A DAQ

O DEWE-43A é um módulo DAQ portátil de 8 canais que possui oito entradas de ponte completa / baixa tensão nos conectores DB-9, mais 8 entradas de contador / codificador e duas interfaces de barramento CAN de alta velocidade.

DEWE-43A DAQ system

Ele se conecta a qualquer computador Windows por meio de um conector USB de bloqueio. As entradas analógicas podem ser usadas nativamente para conexões de ponte completa, ou você pode usar adaptadores DSI para conexões de quarto de ponte e meia ponte.

Outros adaptadores DSI permitem que cada entrada lide com outros sinais, como IEPE, carga, LVDT, 200V, amperes e miliamperes, etc. Cada sistema DEWE-43A inclui o software DEWESoft X premiado para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento , análise e geração de relatórios.

  • Entrada analógica DEWE-43A (8 canais) 200 kS / s. Suporta ponte completa (outros via adaptadores DSI)

Para obter mais informações, visite a página do sistema DEWE-43A DAQ.