Célula de Carga, Módulo de Pesagem, Sensor de Carga

Como funciona uma célula de carga?
As noções básicas da tecnologia de célula de carga é converter uma carga — que é uma força aplicada a qualquer massa no campo gravitacional da Terra — em um sinal elétrico. No interior da maioria das células de carga há os chamados strain gauge que convertem uma deformação mecânica em uma alteração resistente. Saiba mais sobre os strain gauge abaixo. A massa aplica uma carga imposta pelo campo gravitacional, que tensiona o corpo da célula de carga e leva à deformação — tensão. A tensão é convertida em uma alteração resistente e, por fim, em uma saída de tensão. Essa saída é proporcional à massa aplicada.

O que é uma célula de carga?
A célula de carga de balança, ou sensor da célula de carga, é usada em vários setores que necessitam de medições precisas. As células de carga medem com precisão o peso de tanques, recipientes, tremonhas e esteiras transportadoras. A tecnologia de célula de carga foi desenvolvida para atender às demandas de uma série de aplicações industriais robustas. A capacidade das células de carga pode variar muito. Algumas células de carga são mais adequadas para aplicações laboratoriais, enquanto outras são mais apropriadas para lotes ou aplicações logísticas de alta capacidade.

As células de carga devem atender a todas as aprovações e padrões exigidos mundialmente. Elas incluem células de carga tipo beam que permitem mudar sua estrutura para uma balança. As células de carga tipo beam são usadas em várias balanças de piso, correias de pesagem, sistemas de pesagem, balanças de palete, balanças de controlador de pesos e balanças de esteira transportadora. A tecnologia de células de carga fechadas/em anel também oferece robustez para ambientes adversos. Ela é normalmente utilizada em balanças de tanques, pesagem de tanques, balanças de silos e pesagem de caminhões.

O que é um Módulo de Pesagem?
Os Módulos de Pesagem são feitos de células de carga e componentes de aço. Eles são otimizados para sistemas de balança de tanques e esteira transportadora. Além das células de carga, os módulos de pesagem também fornecem funções de segurança para lidar com vento e cargas sísmicas. Uma vez que a integração do sensor da célula de carga é feita pelo fabricante, pode-se assumir a melhor precisão e tempo de elevação para a célula de carga de balança.    

Para que servem as células de carga?
As células de carga são utilizadas para medir o peso de qualquer material possível (por exemplo, com uma célula de carga de 50 kg, de 50 toneladas ou qualquer outra capacidade). Elas alcançam desde microgramas em células de carga micro até várias centenas (100) de toneladas nas balanças de célula de carga de alta capacidade. Os pesos baixos são exigidos nas aplicações farmacêuticas em que as frações de um grama podem fazer uma diferença fundamental. As células de carga de tamanho médio normalmente são usadas para processar e comercializar materiais. As capacidades grandes são usadas para aplicações de armazenamento.

Quão precisas são as células de carga?
Frequentemente, a precisão e a resolução são confundidas. Resolução é quantos dígitos são exibidos; porém, mais dígitos não significam melhor precisão. A precisão descreve quão verdadeiros são os resultados da pesagem (cálculo da precisão da célula de carga e cálculo da capacidade da célula de carga). Por uma boa razão, as balanças legais para comércio limitam a resolução para eliminar a interferência na interpretação dos resultados. Portanto, as melhores referências para a precisão são as aprovações legais para comércio. As células de carga com medidor de tensão normalmente fornecem precisão de 1/3.000d até 1/10.000d (isso também está mencionado nas especificações da célula de carga). As células de carga que utilizam restauração de força chegam a 1/200.000 ou até melhor. Em condições ideais, que incluem temperatura e umidade constantes, a precisão pode ser de 5 a 10 vezes melhor.
Porém, é bastante complicado calcular a precisão final de um sistema de célula de carga. Muitos impactos, como temperatura, tempo, resolução etc. precisam ser considerados. É recomendável buscar a orientação dos fabricantes das células de carga. O Seletor do Componente de Pesagem fornece esses cálculos de maneira profissional.

O que é calibração da célula de carga?
Calibração é um processo que avalia a precisão da célula de carga para garantir que os resultados da pesagem permaneçam dentro das tolerâncias predefinidas. Os sensores de célula de carga precisam ser calibrados  no local em que serão usados. A principal razão para a calibração no local é que a gravidade muda conforme a localização. Uma célula de carga fabricada no local A e usada no local B criaria um erro sem a calibração no local. Outra razão pela qual a calibração no local é importante é o desgaste contínuo do próprio dispositivo, ao qual todos os instrumentos técnicos estão sujeitos. Dependendo da importância da precisão no processo em que a balança é usada, é uma boa prática calibrar uma balança a cada 1–2 anos. 

Um método eficiente para calibrar as balanças de tanques maiores é o RapidCal.

Qual é a saída da célula de carga?
A maioria das células de carga apresenta uma saída analógica de 2–3 mV/V. Por serem dispositivos passivos, elas precisam de uma fonte de alimentação externa para excitação. O sinal de saída varia de acordo com a tensão de excitação relativa e a carga atual. Portanto, é fundamental ter uma fonte de excitação muito estável que elimine os efeitos causados pela fonte de alimentação. Uma célula de carga de 2 mV/V fornece saída de apenas 20 mV em capacidade total, quando alimentada com a saída de 10 V. Os terminais modernos (leitor de célula de carga) fornecem uma fonte de alimentação estável e amplificação precisa do sinal de saída para converter os resultados em informações digitais. É importante para o sinal que a célula de carga tenha um cabeamento adequado.

Quantos tipos de células de carga existem?
Em primeiro lugar, as células de carga são distinguidas por sua forma. As células de carga de ponto único são usadas para aplicações de tamanho pequeno e médio. As células de carga do tipo beam são usadas para balanças de piso e balanças de tanques de tamanho médio. As células de carga fechadas são usadas para aplicações de alta capacidade. Outro critério de distinção para o tipo de célula de carga é a saída fornecida. As células de carga analógicas precisam de um terminal externo para amplificação e conversão CA/CC, enquanto as células de carga digitais têm “inteligência” integrada com a vantagem de melhor precisão, transferência de dados muito mais robusta e o potencial de monitorar a condição da célula de carga para ajudar na manutenção. Cada célula de carga tem um preço diferente, dependendo do desempenho necessário.

Está começando a usar células de carga?
Uma vez que as células de carga medem o peso morto e a carga líquida de uma balança, isso precisa ser considerado ao calcular sua capacidade. O modo como os itens são posicionados na balança também é importante. O uso de células de carga maiores do que o necessário para uma determinada aplicação não é recomendado, pois isso prejudica a precisão. Para as balanças em que os itens geralmente ficam centralizados, isto é, a maioria das balanças de tanque, silo e recipiente, a fórmula é:
C >= sf*(TDL+SC)/N (por exemplo, balanças de tanque)

Para balanças com quatro células de carga em que os itens provavelmente estarão posicionados fora do centro, como em balanças de piso, de caminhões pequenos e de esteira transportadora, a fórmula é:
C >= sf*(TDL/4 + SC/2)  (por exemplo, balanças de piso, balanças de veículos pequenos e de esteira transportadora)

C = LC ou Capacidade do módulo de pesagem
TDL = Peso morto total
SC = Capacidade da balança
sf = Fator de segurança (normalmente 1,25)
N = Número de células de carga ou módulos de pesagem

Procure consultoria profissional em sistemas mais complicados.

Mais detalhes podem ser encontrados no Manual de Sistemas de Módulos de Pesagem, que aborda tópicos de engenharia.

Dicas e truques para usar células de carga
Um problema comum ao usar as células de carga é escolher a proteção errada. As células de carga são muito sensíveis à umidade e à lavagem regular. Apesar de alegar uma alta classificação de IP, a proteção não é boa para o calor úmido. Quando se trata de alta umidade e mudanças bruscas de temperatura (ambiente frio, lavagem a quente), é aconselhável sempre escolher células de carga hermeticamente seladas de aço inoxidável. Portanto, diferentes parâmetros precisam ser levados em conta ao comprar células de carga.

Os custos de calibração dos sistemas de células de carga muitas vezes são subestimados. Se o sistema de qualidade requer calibrações regulares desses sistemas de pesagem, busque orientação sobre o método mais eficiente de um dos maiores fabricantes de células de carga globais. E o método de conformidade com a ISO9001 precisa de um equipamento de calibração independente, rastreável pelos padrões internacionais. Em nenhuma circunstância pode-se presumir que a calibração nunca muda e um sistema de célula de carga não precisa ser recalibrado.  Um método eficiente para calibrar as balanças de tanques maiores é o RapidCal.

O cabeamento da Célula de Carga (ou fiação) muitas vezes é subestimado no que se refere ao impacto na precisão. Os cabos blindados são recomendados em qualquer caso, uma vez que o sinal da célula de carga está em uma tensão muito baixa e é facilmente afetado. Escolha os cabos mais curtos possíveis, pois o cobre altera a resistência de acordo com a temperatura e quanto menor a resistência do cabo, melhor.

As células de carga medem a força, infelizmente não as massas, o que seria ideal. Isso leva ao fato de que qualquer outra força vertical que ocorra acidentalmente em um sistema de célula de carga terá um impacto direto na precisão. Normalmente, alguns impactos a serem mencionados são das forças da tubulação em um recipiente, o contato com o solo, por exemplo, acúmulo de detritos, cabo tocando na microcélula de carga e sistemas de pequena capacidade, vibração vertical etc. Converse com um especialista para evitar esses problemas em seu sistema.

A velocidade do sistema de célula de carga frequentemente é essencial. Quanto maior a taxa de atualização, mais preciso o processo de envase. O mesmo é verdadeiro para um sistema de dosagem, em que quanto mais rápida a medição pelo sistema de célula de carga, mais reparadora a receita. A rapidez envolve um pequeno custo, mas pode fazer uma grande diferença.

Com frequência, a integração das células de carga é complicada e requer conhecimentos de engenharia. Os Módulos de Pesagem são integrados e fornecem segurança e condições de carga ideais para a célula de carga. Veja os detalhes sobre como selecionar os Módulos de Pesagem.  

Como funcionam os medidores de tensão?
Este breve tutorial explica a função dos medidores de tensão. Os medidores de tensão usam o efeito físico de que fios prolongados aumentam a resistência elétrica, enquanto fios compactados a reduzem. A deformação induzida pela carga é aplicada ao corpo de uma célula de carga; os medidores de tensão precisam seguir essa deformação e alterar a resistência. Essa alteração de resistência é proporcional à deformação. A alteração de resistência é muito pequena — normalmente menos de 1 ohm. Isso é difícil de medir a uma distância mais longa. Para converter a alteração de resistência em alteração de tensão, a ponte de Wheatstone é usada. Normalmente, quatro medidores de tensão são usados para uma alteração de tensão razoável. Transferir a mudança de tensão em uma distância mais longa é muito mais fácil e avançado.

Qual é a diferença entre célula de carga e strain gauge?
Os strain gauge são componentes das células de carga. As células de carga são uma força contrária que converte a carga em tensão. Essa tensão é medida pelo strain gauge, que altera sua resistência em uma quantidade elétrica que pode ser medida e relatada como um resultado de pesagem. 

O que é tensão de excitação para uma célula de carga?
As células de carga e os cabos das células de carga são dispositivos passivos que precisam de uma fonte de alimentação externa para excitação. Em relação a essa excitação, a tensão pode mudar com base na carga atual, causando erros. Portanto, é fundamental ter uma fonte de excitação muito estável para eliminar os erros causados pela fonte de alimentação. Os terminais modernos fornecem uma fonte de alimentação estável, a amplificação precisa do sinal de saída e a conversão dos resultados em informações digitais.

O que é célula de carga hidráulica?
As células de carga hidráulica usam o princípio da alteração de pressão ao carregar um fluido fechado. A alteração de pressão é medida por um transdutor de pressão. As células de carga hidráulica não são muito precisas nem muito comuns atualmente. A vantagem da robustez que elas ofereciam, na época em que a eletrônica não era tão precisa, está ultrapassada.

As células de carga são lineares?
Normalmente, as células de carga são muito lineares em 0,03% ou até muito melhor. Atualmente, as balanças são calibradas basicamente apenas em zero e um ponto de amplitude máxima indica que a faixa intermediária é linear.

Uma ou duas células de carga seriam suficientes para uma balança de tanques de três ou quatro pernas?
É possível usar menos células de carga do que pernas do tanque para os sistemas de controle do nível de líquido. O segredo é garantir que o centro gravitacional do sistema não mude horizontalmente com a carga. A precisão desse sistema pode não ser ideal. Não use esse sistema para materiais em massa.

Um PT1000 ou PT100 eletrônico funciona com as células de carga analógicas?
As células de carga analógicas têm uma interface de mV/V que é diferente dos sensores passivos de temperatura, como PT1000, PT100, portanto é necessário um sistema eletrônico especial.

Quais tolerâncias de medição eu posso esperar de um sistema de pesagem?
As tolerâncias de medição do sistema de pesagem são influenciadas por vários fatores, incluindo impactos mecânicos, elétricos e ambientais. Nossos especialistas em pesagem podem fornecer mais informações e ajudá-lo a projetar um sistema de pesagem que atenda às suas necessidades.