Celle di carico, moduli di pesatura, sensori di carico

Come funzionano le celle di carico?
Il principio essenziale della tecnologia delle celle di carico consiste nella conversione di un carico, ossia di una forza applicata a qualsiasi massa nel campo gravitazionale terrestre, in un segnale elettrico. All'interno della maggior parte delle celle di carico è presente un estensimetro che converte la deformazione meccanica in una variazione di resistenza elettrica. Di seguito si forniscono maggiori informazioni sugli estensimetri. La massa applica un carico dovuto al campo gravitazionale e il carico genera una pressione sul corpo della cella di carico che porta a una deformazione o tensione. La deformazione viene convertita in una variazione di resistenza e quindi in una tensione di uscita. Il segnale di uscita è proporzionale alla massa applicata.

Che cosa sono le celle di carico?
Le celle di carico per bilance, chiamate anche sensori della cella di carico, sono usate in moltissimi settori in cui è richiesta l'accuratezza delle misurazioni. Questi sensori determinano in modo accurato il peso di serbatoi, cisterne, tramogge o nastri trasportatori. La tecnologia delle celle di carico è realizzata per sopportare le condizioni difficili che caratterizzano le applicazioni industriali più impegnative. La portata delle celle di carico può variare sensibilmente. Alcune celle di carico sono più adatte alle applicazioni di laboratorio, mentre altre sono indicate per grandi lotti o nella logistica.

Tutte, comunque, dovrebbero essere dotate di certificazioni e soddisfare gli standard internazionali. Sono incluse nella gamma anche celle di carico al taglio a terminazione singola, che consentono di trasformare in sistemi di pesatura le strutture esistenti. Le celle di carico al taglio vengono utilizzate in più unità con bilance a pavimento, bilance a nastro, sistemi di pesatura, pesapallet, bilance per controllo peso e bilance per nastri trasportatori. Anche la tecnologia delle celle di carico cilindriche/a compressione consente la realizzazione di soluzioni robuste per ambienti difficili. In genere, queste vengono usate nei sistemi di pesatura per serbatoi, recipienti, silos e autocarri.

Che cosa sono i moduli di pesatura?
I moduli di pesatura sono costituiti dalle celle di carico e da una struttura in metallo. Sono ottimizzati per l'uso in sistemi di pesatura per serbatoi e nastri trasportatori. I moduli di pesatura sono progettati per assicurare la sicurezza resistendo ai carichi del vento e agli effetti sismici. L'integrazione del sensore della cella di carico è realizzata dal produttore. Di conseguenza, si può presumere che siano assicurate la migliore accuratezza e la massima durata delle celle di carico per bilance.    

Per cosa si usano le celle di carico?
Le celle di carico sono impiegate per determinare il peso di qualsiasi materiale (usando, per esempio, una cella di carico da 50 kg, una cella di carico 50t o qualsiasi altra portata). La quantità determinabile va dai pochi microgrammi della microbilancia fino alle diverse centinaia di tonnellate delle celle di carico a portata elevata. Le portate più ridotte servono nel settore farmaceutico, dove anche le frazioni di grammo possono essere determinanti. Le celle di carico di medie dimensioni, in genere, sono impiegate nei processi di manifattura e commercializzazione. Le portate maggiori, infine, sono usate per l'accumulo e lo stoccaggio.

Quanto sono accurate le celle di carico?
Spesso si fa confusione tra accuratezza e risoluzione. La risoluzione indica il numero di cifre visualizzate; tuttavia, più cifre non significano per forza una maggiore accuratezza. L'accuratezza descrive la veridicità dei risultati di pesatura (calcolo accuratezza della cella di carico e calcolo portata della cella di carico). Le bilance legali per il commercio limitano la risoluzione per evitare l'interpretazione dei risultati. Ecco perché il miglior riferimento per l'accuratezza è rappresentato dalle omologazioni per il commercio. Le celle di carico strain gauge di solito offrono un grado di accuratezza compreso tra 1/3.000d e 1/10.000d (riportato anche nelle specifiche della cella di carico). Le celle di carico a compensazione elettromagnetica possono raggiungere e persino superare un livello di accuratezza pari a 1/200.000. L'accuratezza può essere da 5 a 10 volte maggiore in condizioni ideali, a temperatura e umidità controllate.
Tuttavia, calcolare l'effettiva accuratezza del sistema finale può essere un'operazione complessa. È, infatti, necessario prendere in considerazione molti fattori, quali temperatura, tempo, risoluzione e così via. È consigliabile rivolgersi ai fornitori di celle di carico. Lo strumento di selezione dei componenti di pesatura è uno strumento professionale per eseguire questi calcoli.

Cosa si intende per taratura delle celle di carico?
La taratura è un procedimento che valuta l'accuratezza della cella di carico per assicurare che i risultati di pesatura rientrino nelle tolleranze predefinite. Le celle di carico devono essere tarate  nel luogo in cui saranno usate. La taratura in loco, infatti, è necessaria principalmente perché la forza di gravità cambia da località a località. Se non la si esegue, è possibile che una cella di carico prodotta in un certo luogo generi errori quando viene usata in luogo diverso. La taratura in loco è importante anche per un altro motivo, ossia per via del costante deterioramento cui sono soggetti tutti gli strumenti. I sistemi di pesatura dovrebbero essere tarati ogni uno o due anni, in base a quanto è importante l'accuratezza per il processo in questione. 

Un metodo efficiente per tarare i sistemi di pesatura per serbatoi di grandi dimensioni è RapidCal.

Che uscita hanno le celle di carico?
La maggior parte delle celle di carico dispone di un'uscita analogica da 2-3 mV/V. Trattandosi di strumenti passivi, per l'eccitazione necessitano di una sorgente di alimentazione esterna. Il segnale in uscita varia in funzione della corrente di eccitazione e del carico relativo. È quindi fondamentale disporre di una sorgente di alimentazione molto stabile, che elimini gli effetti causati dalla sorgente stessa. Una cella di carico da 2 mV/V avrà un segnale di uscita di appena 20 mV a piena portata quando è alimentata a 10 V. I terminali moderni (lettori di celle di carico) consentono di assicurare sia la stabilità della sorgente di alimentazione, sia un'accurata amplificazione del segnale di uscita per la conversione digitale dei risultati. Per assicurare la qualità del segnale è importante che il cablaggio delle celle di carico sia eseguito correttamente.

Quanti tipi di celle di carico esistono?
Le celle di carico si distinguono innanzitutto per la forma. Le celle di carico single point sono adatte nel caso di carichi ridotti o di medie dimensioni. Le celle di carico al taglio sono impiegate nelle bilance a pavimento e nei sistemi di pesatura per serbatoi di media grandezza. Le celle di carico a cilindro sono usate nel caso di carichi gravosi. Un altro criterio per distinguere le celle di carico è il tipo di uscita. Le celle di carico analogiche necessitano di un terminale esterno per l'amplificazione e la conversione A/D, mentre l'intelligenza integrata nelle celle di carico digitali offre il vantaggio di una maggiore accuratezza e una maggiore stabilità nel trasferimento dei dati, oltre alla possibilità di monitorare le condizioni della cella di carico ai fini della manutenzione. I prezzi delle celle di carico variano a seconda delle prestazioni richieste.

Siete agli inizi con le celle di carico?
Le celle di carico determinano sia il carico statico che il carico netto della bilancia, cosa che deve essere tenuta a mente quando si calcola la loro portata. Anche la posizione dei materiali sulla bilancia è rilevante. Non è consigliabile usare celle di carico più grandi del necessario perché così facendo si comprometterebbe l'accuratezza delle letture. Per i sistemi di pesatura in cui i materiali sono tendenzialmente centrati, come avviene nella maggior parte delle applicazioni con serbatoi, silos e cisterne, la formula è:
C >= sf*(TDL+SC)/N (es. bilance per serbatoi)

Per le bilance con quattro celle di carico in cui è probabile che i materiali siano in posizione eccentrica, come nel caso di bilance a pavimento, piccole pese a ponte e bilance per nastri trasportatori, la formula è:
C >= sf*(TDL/4 + SC/2)  (es. bilance a pavimento, piccole bilance per autocarri, nastri trasportatori)

C = LC o portata del modulo di pesatura
TDL = carico statico totale
SC = portata della bilancia
sf = fattore di sicurezza (in genere 1,25)
N = numero delle celle di carico e dei moduli di pesatura

Per informazioni su sistemi più complessi è consigliabile rivolgersi a un consulente esperto.

Maggiori dettagli sono disponibili nel manuale sui sistemi con moduli di pesatura che affronta gli aspetti ingegneristici.

Suggerimenti e indicazioni sull'uso delle celle di carico
Un problema frequente nell'uso delle celle di carico è la scelta errata delle misure di protezione. Le celle di carico sono molto sensibili all'umidità e ai lavaggi intensivi periodici. Anche se viene dichiarato un IP elevato, la protezione potrebbe non essere idonea per il calore umido. In caso di umidità elevata e improvvise variazioni di temperatura (ambiente freddo, lavaggio intensivo ad alte temperature), è consigliabile scegliere sempre celle di carico in acciaio inossidabile a tenuta ermetica. Quindi, nel valutare il prezzo delle celle di carico è necessario tenere conto di diversi parametri.

I costi per le tarature sono spesso sottostimati. Se il vostro sistema di qualità richiede la taratura periodica degli strumenti di pesatura, chiedete consiglio sul metodo più efficiente rivolgendovi a uno dei maggiori fornitori di celle di carico a livello internazionale. Per l'ISO 9001, il metodo deve comprendere attrezzature di taratura indipendenti, tracciabili e conformi agli standard internazionali. In ogni caso, non si può mai presumere che la taratura rimanga costante e che il sistema con celle di carico non necessiti di alcun intervento di ritaratura.  Tra i più efficienti metodi per tarare i sistemi di pesatura per serbatoi di grandi dimensioni figura  RapidCal.

Spesso si sottostima l'impatto che il cablaggio delle celle di carico ha sull'accuratezza. È sempre raccomandato l'uso di cavi schermati perché la tensione del segnale delle celle di carico è molto bassa ed è facile che si verifichino interferenze. È importante che i cavi siano i più corti possibile perché la resistività del rame varia con la temperatura ed è essenziale minimizzare la resistenza offerta dai cavi.

Sfortunatamente le celle di carico misurano la forza, non la massa, come sarebbe ideale. Ciò significa che qualsiasi altra forza verticale impressa sul sistema avrà un impatto diretto sull'accuratezza della cella di carico. Ne sono un esempio i carichi meccanici delle tubazioni sui serbatoi, il contatto a terra dovuto al deposito di detriti, il contatto tra cavi nella microbilancia e nei sistemi a portata ridotta, le vibrazioni e così via. Per evitare questo tipo di problemi, ricorrete alla consulenza di un esperto.

Nei sistemi di pesatura con celle di carico, anche la velocità è spesso un fattore critico. L'accuratezza di un processo di riempimento migliora all'aumentare della frequenza di aggiornamento. Lo stesso è vero per i sistemi di dosaggio, dove la possibilità di correzione della ricetta diventa più ripetibile all'aumentare della velocità di misurazione del sistema di pesatura con cella di carico. La velocità comporta dei costi contenuti, ma può determinare un'enorme differenza.

Molto spesso, l'integrazione delle celle di carico è macchinosa e richiede specifiche competenze per un'adeguata progettazione. I moduli di pesatura sono integrati e assicurano sicurezza e condizioni di carico ideali per la cella. Per maggiori dettagli, consultate la documentazione sulla selezione dei moduli di pesatura.  

Come funzionano gli estensimetri?
Questo breve tutorial spiega il funzionamento degli estensimetri. Gli estensimetri sfruttano la proprietà fisica per cui la resistenza elettrica aumenta all'allungarsi dei cavi e viceversa si riduce con la compressione. Quando si applica un carico al corpo della cella di carico, l'estensimetro si deforma cambiando la resistenza. La variazione di resistenza è proporzionale alla deformazione. Si tratta di un valore molto piccolo, in genere inferiore a 1 ohm, difficile da misurare a distanza. La variazione di resistenza viene convertita in variazione di tensione mediante un ponte di Wheatstone. In genere, per una variazione di tensione ragionevole si usano quattro estensimetri. Il trasferimento della variazione di tensione a grande distanza è una soluzione più avanzata e più facile da eseguire.

Che differenza esiste tra cella di carico ed estensimetro?
Gli estensimetri, o strain gauge, sono componenti delle celle di carico. Le celle di carico esercitano una forza contraria e convertono il carico in deformazione. La deformazione è acquisita dall'estensimetro, la cui resistenza è convertita in una grandezza elettrica che può essere determinata e riferita come risultato di pesatura. 

Cosa si intende per tensione di eccitazione?
Le celle di carico e i cavi delle celle di carico sono strumenti passivi che per l'eccitazione necessitano di una sorgente di alimentazione esterna. La tensione elettrica può variare a seconda del carico di corrente generando errori. Per eliminare gli errori causati dalla sorgente di alimentazione è quindi fondamentale che questa sia molto stabile. I terminali moderni consentono di assicurare sia la stabilità della sorgente di alimentazione, sia l'accuratezza nell'amplificazione del debole segnale in uscita per la conversione digitale dei risultati.

Che cosa si intende per cella di carico idraulica?
Le celle di carico idrauliche impiegano il principio della variazione di pressione di un fluido in ambiente chiuso. La variazione di pressione è determinata da un trasduttore di pressione. Queste celle di carico non sono molto accurate e sono meno diffuse di un tempo. Quando gli strumenti elettronici erano meno accurati di quanto non siano oggi, infatti, offrivano il vantaggio di essere molto robuste.

Le celle di carico sono lineari?
In genere, le celle di carico presentano una linearità elevata, pari allo 0,03% o persino migliore. Oggi le bilance sono tarate quasi sempre solo rispetto allo zero e a un valore massimo di regolazione di scala; è considerato lineare l'intervallo tra i due valori.

Per un serbatoio a tre o quattro gambe, possono essere sufficienti una o due celle di carico?
L'impiego di un numero di celle di carico inferiore al numero delle gambe del serbatoio è possibile nei sistemi per il controllo di livello dei liquidi. L'importante è essere sicuri che il centro di massa del sistema non si sposti lateralmente con il carico compromettendo l'accuratezza. Non è consigliabile nel caso di materiali alla rinfusa.

Le celle di carico analogiche possono funzionare con le termoresistenze PT1000 o PT100?
Diversamente dalle sonde passive di temperatura, come le PT1000 o le PT100, le celle di carico analogiche hanno un segnale in mV/V che rende necessario l'uso di appositi strumenti elettronici.

Che tolleranze di misura ci si possono attendere da un sistema di pesatura?
Nei sistemi di pesatura, le tolleranze di misura sono influenzate da molti fattori di natura meccanica, elettrica, ambientale e così via. I nostri esperti sono in grado di fornirvi maggiori informazioni per aiutarvi a progettare un sistema di pesatura che soddisfi i vostri requisiti.