In questo articolo tratteremo di come è possibile realizzare misure di peso utilizzanto celle di carico. Ci occuperemo di:

  • Vedere come funzionano le celle di carico
  • Imparare come realizzare le misure di peso nel mondo industriale 
  • Capire come implementare queste misure nei nostri test

Pronti a partire? Cominciamo!

Cos'è una cella di carico?

La cella di carico è un sensore o trasduttore di forza. E' usata molto spesso per misurare il peso. Anche se questi sensori possono misurare forze come coppie, compressione e trazione, in questo articolo ci concentreremo sulla loro applicazione nelle misure di peso

An example load cell sensorEsempio di una cella di carico
Fonte: Daraceleste / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Sebbene la gravità sia la più debole delle quattro forze fondamentali che impediscono all'universo di volare in disparte, è l'unica che possiamo percepire direttamente. Qualsiasi oggetto sulla terra che ha una massa ne è soggetto, la forza di gravità attira i corpi aventi una massa verso il nucleo di ferro al centro del nostro pianeta. Peso e massa sono collegati per gravità.

L'unità di misura standard mondiale del peso è il chilogrammo (kg). Anche negli Stati Uniti, dove le misure imperiali di peso, distanza e volume sono ancora ampiamente utilizzate, tali unità sono riferite al sistema metrico SI.

Quindi una libra negli Stati Uniti non è definita da un'altra unità di misura imperiale, ma ufficialmente come 0,45359237 chilogrammi. Il modo in cui calcoliamo la massa in chilogrammi è stato definito dal mondo scientifico nel 2019 il chilogrammo è stato riferito ad una costante fisica, in particolare alla costante di Planck tramite una misurazione per mezzo della bilancia di Watt.

Se rimuovi la gravità un oggetto non pesa letteralmente nulla, ma la sua massa rimane invariata. Quando pesi qualcosa, stai davvero misurando la massa di quell'oggetto in relazione a questo pianeta. Quindi, in effetti, una cella di carico misura la massa. Ma è rilevante solo in termini di cosa significhi qui sulla terra.

Esistono diverse tecnologie di base utilizzate nelle celle di carico, come le celle di carico pneumatiche (spesso utilizzate in applicazioni a sicurezza intrinseca). Le celle di carico idrauliche non richiedono alimentazione e sono, quindi, utilizzate frequentemente in luoghi remoti e di difficile accesso. Esistono anche celle di carico piezoelettriche che forniscono un output di alto livello (ma non lineare).

Ma ci concentreremo sulle celle di carico basate sugli estensimetri, che rappresentano la tipologia attualemnte più diffusa al mondo. Sono economiche, molto affidabili e disponibili per gestire un'ampia gamma di input di forza. Sono di fatto lo standard del settore della pesatura e offrono una precisione di fondo scala dello 0,25% e anche migliore.

Potresti persino utilizzare un apparecchiatura basata su celle di carico a strain gauges ogni mattina senza nemmeno accorgertene. Potrebbe assomigliare a questo:

The digital bathroom scale is a strain gage-based load cell deviceLa bilancia pesapersone digitale è un dispositivo con cella di carico basato su estensimetri

Mentre le classiche bilance meccaniche utilizzano una serie di leve per distribuire il peso applicato e guidare una molla collegata a un quadrante meccanico, la maggior parte dei modelli digitali di oggi, per calcolare il peso, utilizza più celle di carico basate su estensimetri.

Una volta appoggiato il piede sulla piastra di misurazione, il microcontrollore si "sveglia" ed esegue una calibrazione con offset zero degli estensimetri. Il display digitale indica quindi 0,0 kg ed a questo punto è pronto per pesarti.

Nelle migliori bilance pesapersone digitali, una cella di carico basata su estensimetri è posizionata su ciascuno dei quattro angoli della bilancia. In realtà, sono spesso integrati nei "piedi" dell'indicatore. Due delle celle di carico sono posizionate in modalità tensione e le altre due sono posizionate in modalità compressione.

Quando si sale sulla bilancia, il microcontrollore prende le uscite dello strain gauge e le converte in un valore di peso associato all'unità di misura selezionata e visualizza quel numero su un indicatore. Alcuni modelli impiegano persino una termocoppia per misurare la temperatura e il fattore ambientale nell'equazione, poiché gli estensimetri sono sensori basati sulla resistenza e sono influenzati dalla temperatura.

OK, è stato divertente, ma ora diamo un'occhiata alle celle di carico utilizzate per la misure scientifiche in applicazioni DAQ.

Come funziona una cella di carico basata su estensimetri?

Uno strain gauge (detto anche "estensimetro") misura la deformazione mediante un cambiamento di resistenza. Un modello di lamina metallica è montato su un substrato flessibile, che funge anche da isolante. Una corrente viene fatta scorrere attraverso il modello di lamina. Quando l'oggetto in prova viene sollecitato (cioè compresso o messo in tensione) si verifica una variazione di resistenza proporzionale alla quantità di deflessione.

Full bridge strain gage sensor schematicSensore strain gauge in configurazione ponte completo 

Quando un conduttore viene allungato, la sua resistenza aumenta. Quando è compresso, la sua resistenza diminuisce. Questa variazione di resistenza può essere misurata usando un ponte di Wheatstone, che è costituito da quattro sensori estensimetrici disposti secondo uno schema.

Strain gage operation (bending exaggerated for clarity)Funzionameto Strain Gauge (bending esagerato per chiarezza)
Immagine gentilmente concessa da WikiCommon

Wheatstone bridge diagram by DewesoftWheatstone Bridge Diagram

Effettuando una misura con tutti e quattro i sensori si ottiene una configurazione a ponte intero. Nel diagramma a ponte intero sopra, la tensione di uscita del sensore viene misurata ai terminali C e B, mentre la tensione di eccitazione viene fornita ai terminali A e D.

Pertanto, quando montiamo un estensimetro su un alloggiamento meccanico e sottoponiamo tale alloggiamento a sollecitazioni o forze, come il peso, il sensore misurerà la compressione o la tensione relativa causata da tale forza. La combinazione tra alloggiamento meccanico e sensore estensimetrico montato su di esso è una cella di carico.

Ora diamo un'occhiata alle diverse forme e dimensioni di tali celle di carico e al modo in cui vengono utilizzate.

Ulteriori informazioni sugli estensimetri e sulla misurazione delle deformazioni:

Guida completa ai Sensori Strain Gauges
Dewesoft PRO Training -> Strain Measurement

Applicazioni pratiche delle celle di carico

Esiste praticamente un numero illimitato di possibili applicazioni per le celle di carico, grandi e piccole. Eccone alcuni che mi vengono in mente:

  • Test dei materiali - misura dei pesi delle parti man mano che vengono fabbricati per coerenza
  • Aerospaziale - test spinta dei motori a reazione,misura del carico su ruote e sottocarri
  • Marina - monitoraggio delle tensioni sulle linee di ormeggio mentre si estendono sotto il carico della nave che si muove con l'acqua
  • Trasporto - misure di coppia su motori elettrici, a benzina e diesel, monitoraggio del carico sugli assi, dei carichi delle ruote di treni e camion, misurazione dei pesi del carico nelle stazioni di pesatura autostradali
  • Industriale - Misure di forza su riduttori e pompe, misure di tensione in applicazioni di posizionamento di tubi sottomarini, misure di tensione e forza in cartiere e acciaierie, pesatura di tramogge e recipienti
  • Medicale / Sanitario - Letti ospedalieri che pesano il paziente, bilance da incubazione di precisione per neonati, misure del carico in terapia fisica e attrezzi ginnici.
  • Construzione - forze dei cavi negli ascensori, forze sui ponteggi secondo gli standard internazionali. Per un'interessante nota applicativa visitare la pagina Test di ponteggi e prove omologative
  • Intrattenimento - le celle di carico di tipo S sono installate tra i cavi utilizzati per sollevare acrobati e attori, assicurando che le forze non superino i livelli prescritti
  • Petrolchimico - misura delle forze sugli strumenti di perforazione di petrolio e gas
  • Agricoltura e Allevamento - Misura del peso del bestiame che passa attraverso gli scivoli, misura delle forze sui cavi e delle apparecchiature di hosting, pesatura di tramoggia, serbatoio e silo
  • Famiglia / Consumatore - bilance pesapersone digitali

Se consideriamo la grande varietà rappresentata da solo una dozzina di applicazioni, è chiaro che le misure di forza e peso sono simili alle misure di temperatura, in quanto sono fondamentali per decine di migliaia di applicazioni in quasi tutti i settori.

Accorgimenti nell'utilizzo

Valutazioni del carico massimo

È importante scegliere una cella di carico che non solo corrisponda al tipo o alla direzione del carico che si desidera misurare, ma che è anche classificata per gestire il carico massimo previsto.

Ad esempio, le celle di carico sono classificate in termini di kg massimi (o libbre). Per misurare fino a 1000 kg, ovviamente, si vorrebbe una cella di carico che è stata valutata almeno da 1.5 a 2 volte quel peso.

Calibrazione e Azzeramento in Due Punti

Il foglio di calibrazione con cui viene spedita ciascuna cella di carico mostra la tensione di eccitazione e la sensibilità degli estensimetri incorporati. Questi saranno necessari per configurare il software in modo da misurare accuratamente l'output nell'unità di misura desiderata, in genere kg o N.

Nel software Dewesoft X è abbastanza facile eseguire un AZZERAMENTO di qualsiasi sensore, ad esempio rimuovere tutti i carichi e quindi premere ZERO nel software (proprio come fa automaticamente la bilancia da bagno). È inoltre possibile eseguire una calibrazione a 2 punti utilizzando un carico di riferimento noto, assicurando che la cella di carico produca valori lineari corretti tra zero e il carico di riferimento applicato.

Strain gage load cell channel setup inside Dewesoft X DAQ softwareSetup and calibration of a load cell within Dewesoft X DAQ software

Considerazioni Ambientali

Se la cella di carico verrà utilizzata in un ambiente che contiene gas corrosivi, acqua, vapore, ecc., è necessario utilizzare una cella di carico classificata come resistente alla corrosione. Le celle di carico in acciaio inossidabile che sono sigillate (cercare elevati livelli di protezione IP come IP65 e superiori), sono realizzate appositamente per questi ambienti ostili. E naturalmente, qualsiasi sensore o sistema che verrà utilizzato in un ambiente a rischio esplosione deve essere certificato come intrinsecamente sicuro e/o a prova di esplosione a seconda dei requisiti normativi.

Tipologia di celle di carico

Ci sono celle di carico prodotte in diverse forme e dimensioni, per svariate applicazioni. Ecco le principali attualmente disponibili:

  • Celle di Carico a Trave/Flessione
  • Celle di Carico a Scatola Metallica
  • Celle di carico a S-Beam
  • Celle di carico a foro passante/ciambella
  • Celle di carico del Pancake
Tipo a Barra/Flessione Scatola Metallica S-Beam foro passante/ciambella Pancake
Immagine 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
Applicazioni

ApplicazioniUtilizzato per misurare il peso. Ottimo per effettuare misure decentrate

Utilizzato per misurare i carichi di compressione

Può essere utilizzato sia per la compressione che per la tensione. Può essere collegato in un cavo d'acciaio

Tipo più robusto per elevata compressione e tensione. I fori consentono alla cella di carico di essere integrata alla struttura

Tipi di carico più elevati, che raggiungono 100 kg (220.000 libbre) o più di compressione e tensione

Può Misurare Tensione e compressione Compressione Tensione e compressione Solo compressione O tensione e compressione Tensione e compressione

Celle di carico a trave/flessione

Esiste anche una distinzione tra celle di carico a punto singolo e modelli di compressione robusti che distribuiscono il carico su quattro o più sensori strain gauge per una maggiore precisione e/o capacità. Quanto sopra rappresenta solo alcuni dei principali tipi di celle di carico. Ce ne sono molti altri, oltre a diversi tipi partcolari progettati per applicazioni e ambienti speciali. Esistono celle di carico a basso profilo, miniaturizzate e ultra-miniaturizzate che possono essere utilizzate in spazi molto piccoli. All'altra estremità dello spettro, ci sono celle di carico utilizzate per misurare centinaia di tonnellate, che per ovvie ragioni sono abbastanza grandi.

Bar or bending beam type load cellTipica cella di carico a flessione
Fonte immagine: Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Le celle di carico a trave o flessione (noto anche come trave binoculare) sono comunemente utilizzate per applicazioni di pesatura industriale.Un'estremità della barra è fissata alla struttura, mentre una forza è applicata all'estremità libera del sensore (vedere F nella figura sopra).

Questa forza fa sì che i quattro estensimetri integrati nella parte superiore e inferiore e ciascuna estremità della cella di carico si allunghino o si comprimano a seconda di quanta forza sollecita la struttura della cella di carico. Queste minuscole variazioni di potenziale degli estensimetri possono essere facilmente convertite in peso nel nostro software di acquisizione dati Dewesoft X.

Bending beam load cell application Applicazione della cella di carico Bending Beam

Celle di Carico Stile Contenitore

Conosciuta anche come "cella di carico a contenitore", una cella di carico a compressione è il tipo più fondamentale di cella di carico. Viene utilizzata principalmente come bilancia industriale per misurare il peso di un carico che viene posizionato su di esso. Prende il nome dalla sua forma simile a una scatola metallica.

Canister type load cell sensoerTipica Cella di Carico a Contenitore
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Celle di Carico S-Beam

Le celle di carico S-Beam sono adatte sia per applicazioni di spinta che trazione. Prendono il loro nome dalla loro forma distintiva. In genere sono collegati al centro di un cavo d'acciaio. Immagina un cavo utilizzato per sollevare un carico pesante.

Typical s-beam type load cell sensorTipica Cella di Carico
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Celle di carico a foro passante/ciambella

Alcune celle di carico di questa tipologia sono realizzate solo per la compressione, mentre altre sono disponibili sia per la compressione che per la tensione. Il foro centrale consente a parte della struttura di passare attraverso la cella di carico, se necessario. Alcuni modelli hanno fori passanti aggiuntivi disposti attorno al foro centrale per connessioni meccaniche aggiuntive.

Trough-hole or donat type load cell sensor
Typical Donut / Through-hole Load Cell
Image courtesy of Forsentek

Celle di Carico Pancake

Le celle di carico pancake sono progettate per applicazioni in cui si verificano sia la tensione che la compressione (trazione e spinta).

Pancake type load cell sensorTipica Cella di Carico tipica Pancake
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Misurare celle di carico coi sistemi di acquisizione Dewesoft

Sistema DAQ SIRIUS

I sistemi DAQ SIRIUS offrono la tecnologia DualCoreADC® che aumenta a 24 bit i convertitori ADC delta-sigma con un filtro anti-aliasing su ogni canale, ottenendo un range dinamico di 160 dB nei domini di tempo e frequenza, con una frequenza di campionamento fino a 200 kS/s/ch per ciascun canale.

Le sezioni SIRIUS possono contenere fino a 8 o 16 canali di ingresso analogici. Ogni sistema DAQ SIRIUS include il premiato software di acquisizione dati Dewesoft X per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, la memorizzazione, l'analisi e la generazione di report.

SIRIUS modular DAQ systems

L'elenco degli amplificatori SIRIUS compatibili con i sensori celle di carico:

  • SIRIUS STG (8 canali), 200 kS/s, supporta tutti i tipi di strain, elevato input range
  • SIRIUS STGM (8 canali) 200 kS/s, bassa potenza, bilanciamento del sensore e dell'amplificatore
  • SIRIUS-LV (8 canali), 200 kS/s, supporta la connessione ponte intero
  • SIRIUS-HD STGS (16 canali) 200 kS/s, bassa potenza, bilanciamento del sensore e dell'amplificatore
  • SIRIUS-HS STG (8 canali) 1 MS/s, supporta tutti i tipi di strain, elevato input range
  • SIRIUS-HS-LV (8 canali), 1  MS/s, Supports full bridge connection

Per ulteriori informazioni, visitare la pagina del sistema DAQ SIRIUS.

Sistemi DAQ KRYPTON

La famiglia DAQ KRYPTON offre moduli estensimetrici rinforzati con 1, 3 o 6 canali per modulo. Sono disponibili molti altri moduli KRYPTON e KRYPTON ONE, per altri tipi di sensori e segnali. I moduli DAQ KRYPTON offrono un grado di protezione IP67 e sono realizzati per gli ambienti operativi più difficili - shock, vibrazioni e temperature estreme. Ogni sistema KRYPTON include il premiato software di acquisizione dati Dewesoft X per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, l'archiviazione, l'analisi e la generazione di report.

KRYPTON rugged DAQ modules

La lista dei moduli DAQ KRYPTON che sono compatibili con le celle di carico:

  • KRYPTON-3xSTG e KRYPTON-6xSTG: modulo DAQ a 3 o 6 canali che supporta tutti i tipi di strain gauge e un elevato range di input.
  • KRYPTONi-1xSTG: modulo DAQ ad un canale isolato che supporta tutti i tipi di strain gauge e un elevato range di input.

Per maggiori informazioni visita la pagine del sistema DAQ KRYPTON.

DAQ IOLITE e Sistemi di Controllo

DAQ IOLITE e il sistema di controllo combinano la potente acquisizione dei dati con il controllo in tempo reale tramite due interfacce EtherCAT. Si noti che IOLITE-6xSTG accetta anche moduli DSI che lo adattano per gestire un'ampia varietà di altri sensori. Disponibile in un modello a rack 19 ”e in un modello da banco. Ogni sistema IOLITE include il premiato software DEWESoft X per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, la memorizzazione, l'analisi e la generazione di report.

IOLITE DAQ and Control system

La lista dei moduli DAQ IOLITE che sono compatibili con le celle di carico:

  • IOLITE-6xSTG (6 canali) supporta tutti i tipi di strain, presenta un elevato range di input.

Per maggiori informazioni visita la pagina IOLITE - Acquisizione e Controllo.

Sistema DAQ DEWE-43A

Il DEWE-43A è un modulo DAQ portatile a 8 canali che dispone di otto ingressi full bridge/bassa tensione su connettori DB-9, oltre a 8 ingressi contatore/encoder e due interfacce bus CAN ad alta velocità.

DEWE-43A DAQ system

Si collega a qualsiasi computer Windows tramite un connettore USB. Gli ingressi analogici possono essere utilizzati in modo nativo per connessioni a ponte intero oppure è possibile utilizzare adattatori DSI per collegamenti da un quarto di ponte e mezzo ponte.

Altri adattatori DSI consentono a ciascun ingresso di gestire altri segnali, come IEPE, charge, LVDT, 200 V, ampere e milliampere, ecc. Ogni sistema DEWE-43A include il premiato software DEWESoft X per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, l'archiviazione , analisi e generazione di report.

  • DEWE-43A input analogico (8 canali) 200 kS/s. Supporta la configurazione ponte intero (le altre tramite adattatore DSI)

Per maggiori informazioni visita la pagina sistema DAQ DEWE-43A.