Celle di carico: Principi, tipi e applicazioni

Una cella di carico è un trasduttore che converte la forza meccanica in un segnale elettrico. Questo segnale può essere misurato e standardizzato, consentendo un monitoraggio e un controllo accurati in un’ampia gamma di applicazioni industriali e commerciali. Le celle di carico sono componenti essenziali nei sistemi che richiedono una misurazione precisa della forza, tra cui i sistemi di pesatura, le prove strutturali, l’analisi della fatica dei materiali e il monitoraggio della forza nella robotica e nell’automazione.

Principio di funzionamento delle celle di carico

Il principio di funzionamento più comune delle celle di carico si basa sugli estensimetri. Una cella di carico ad estensimetri è costituita da un elemento elastico (spesso in acciaio o alluminio) a cui sono incollati gli estensimetri. Quando viene applicata una forza, questa provoca una deformazione dell’elemento elastico. Questa deformazione porta a una variazione della resistenza elettrica degli estensimetri, che è proporzionale alla forza applicata.

Questa variazione di resistenza viene misurata con un circuito a ponte di Wheatstone. L’uscita del ponte è un piccolo segnale di tensione (tipicamente in millivolt), che deve essere amplificato da un amplificatore per celle di carico per essere utile per i sistemi digitali. L’equazione di base che descrive questa relazione è:

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Dove:

• è la tensione di uscita,
• is the excitation voltage,
• is the change in resistance,
• è la resistenza nominale.

Tipi di celle di carico

Le celle di carico a compressione sono progettate per misurare le forze applicate in compressione. Sono tipicamente utilizzate in applicazioni come il monitoraggio delle presse, la misurazione del peso sotto le piattaforme e i sistemi di automazione industriale.

Le celle di carico a trazione misurano le forze che tentano di separare la cella. Sono comuni nelle celle di carico delle gru, nelle bilance sospese e nei test di tensione strutturale.

Le celle di carico a bottone sono dispositivi compatti e di basso profilo, utilizzati in caso di vincoli di spazio. Sono spesso caratterizzate da una superficie a forma di cupola per applicare la forza di compressione e sono spesso utilizzate in applicazioni di prova e misurazione.

Le celle di carico digitali integrano l’elettronica di condizionamento del segnale all’interno della cella di carico stessa. Emettono direttamente segnali digitali, eliminando la necessità di amplificatori esterni o convertitori analogico-digitali.

Le celle di carico idrauliche funzionano applicando una forza a un pistone che comprime un fluido confinato. La variazione di pressione nel fluido è proporzionale alla forza applicata e viene letta da un manometro. Sono robuste, ideali per ambienti pericolosi e non richiedono alimentazione per la generazione del segnale.

Le celle di carico pneumatiche funzionano in modo simile alle versioni idrauliche, ma utilizzano la pressione dell’aria invece del fluido. Sono adatte ad ambienti puliti e a rischio di esplosione e offrono una minore precisione ma un’elevata sicurezza e affidabilità.

Le celle di carico induttive e a riluttanza utilizzano le variazioni di induttanza o di riluttanza magnetica per misurare lo spostamento causato da un carico applicato. I tipi induttivi rilevano le variazioni dell’induttanza della bobina, mentre quelli a riluttanza misurano le variazioni della riluttanza magnetica dovute al movimento del nucleo. Sono generalmente utilizzati quando la misura senza contatto è vantaggiosa o quando è richiesta l’immunità ai disturbi elettrici.

Caratteristiche e specifiche

I parametri chiave che definiscono le prestazioni di una cella di carico includono:

Capacità nominale: La forza massima che la cella può misurare con precisione.
Sensibilità: Il rapporto tra il segnale di uscita e il carico applicato, tipicamente in mV/V.
Linearità e isteresi: Misurano la precisione con cui l’uscita segue il carico in ingresso.
Creep e bilanciamento dello zero: Indicatori di stabilità nel tempo e sotto carico sostenuto.

Le celle di carico variano anche per materiale (acciaio inox, alluminio, ecc.), protezione ambientale (grado IP) e configurazione di montaggio, a seconda dell’applicazione.

Applicazioni delle celle di carico

Le celle di carico sono onnipresenti nei moderni sistemi di ingegneria. Nelle bilance industriali, assicurano una pesatura precisa nelle linee di produzione e nella logistica. Le celle di carico delle gru sono integrate nei sistemi di sollevamento per monitorare le forze di sollevamento, migliorando la sicurezza e l’efficienza. Nelle macchine di prova dei materiali, forniscono un feedback in tempo reale sulle sollecitazioni e le deformazioni. Nella robotica, le celle di carico consentono il feedback della forza, fondamentale per le manipolazioni delicate e l’assemblaggio automatizzato. Inoltre, sono utilizzate nel settore aerospaziale, nei crash test automobilistici, nella biomeccanica e nell’agricoltura.

Fascia di prezzo

Il costo delle celle di carico varia notevolmente a seconda del tipo, della capacità, della precisione e della robustezza ambientale. Le celle di carico estensimetriche di base possono partire da 30 a 100 dollari. I modelli ad alta capacità o ad alta precisione possono costare da diverse centinaia a migliaia di dollari, in particolare per applicazioni specializzate come le prove aerospaziali o la metrologia di alta precisione.

Domande tecniche comuni

Che cos’è una cella di carico? Una cella di carico è un sensore che converte la forza meccanica in un’uscita elettrica, generalmente utilizzando la tecnologia degli estensimetri.

Come funziona una cella di carico? Funziona rilevando la deformazione di un elemento di deformazione causata dalla forza applicata, traducendola in un segnale elettrico misurabile.

Che cos’è una cella di carico a estensimetri? È una cella di carico che utilizza estensimetri a resistenza elettrica per rilevare le variazioni di deformazione dovute ai carichi applicati.

Qual è l’equazione di una cella di carico? L’equazione tipica si basa sul ponte di Wheatstone e sulle variazioni di resistenza: .

Che cos’è una cella di carico a compressione? Una cella di carico progettata specificamente per misurare le forze di compressione (spinta).

Cos’è un amplificatore per celle di carico? Un dispositivo che amplifica il segnale a livello di microvolt di una cella di carico a una tensione superiore adatta ai sistemi digitali.

Che cos’è una cella di carico a bottone? Una cella di carico a compressione di piccole dimensioni, a forma di disco, utilizzata in applicazioni con limiti di spazio.

Che cos’è una cella di carico per gru? Una cella di carico a trazione ad alta capacità utilizzata per misurare il carico su gru e paranchi.

Che cos’è una cella di carico digitale? Una cella di carico con elettronica integrata che emette un segnale digitale, semplificando l’acquisizione e l’elaborazione dei dati.

Che cos’è una cella di carico idraulica? Una cella di carico che utilizza un pistone per comprimere un fluido, con variazioni di pressione che riflettono la forza applicata.

Cos’è una cella di carico pneumatica? Una cella di carico che misura la forza bilanciandola con la pressione dell’aria.

Che cos’è una cella di carico induttiva o a riluttanza? Una cella di carico che utilizza i principi elettromagnetici per rilevare lo spostamento dovuto alla forza, utile in ambienti di rilevamento specifici.

In sintesi, le celle di carico sono componenti fondamentali nei sistemi che richiedono una misurazione precisa della forza. Comprendendone i principi, i tipi e le applicazioni, gli ingegneri possono prendere decisioni informate nella scelta della cella di carico più adatta alle loro esigenze specifiche.