Uma célula de carga é um transdutor que converte a força mecânica num sinal elétrico. Este sinal pode ser medido e normalizado, permitindo uma monitorização e controlo precisos numa vasta gama de aplicações industriais e comerciais. As células de carga são componentes essenciais em sistemas que requerem uma medição precisa da força, incluindo sistemas de pesagem, testes estruturais, análise de fadiga de materiais e monitorização da força em robótica e automação.
Princípio de funcionamento das células de carga
O princípio de funcionamento mais comum utilizado nas células de carga é baseado em extensómetros. Uma célula de carga com extensómetro consiste num elemento elástico (frequentemente feito de aço ou alumínio) ao qual estão ligados extensómetros. Quando é aplicada uma força, esta provoca uma deformação no elemento elástico. Esta deformação leva a uma alteração na resistência eléctrica dos extensómetros, que é proporcional à força aplicada.
Esta alteração da resistência é medida utilizando um circuito de ponte de Wheatstone. A saída da ponte é um pequeno sinal de tensão (normalmente em milivolts), que deve ser amplificado por um amplificador de célula de carga para ser útil para sistemas digitais. A equação básica que descreve esta relação é:
Onde:
é a tensão de saída,- é a tensão de excitação,
- é a variação da resistência,
- é a resistência nominal.
é a tensão de saída,
é a tensão de excitação,
é a variação da resistência,
é a resistência nominal.Tipos de células de carga
As células de carga de compressão são concebidas para medir forças aplicadas em compressão. São normalmente utilizadas em aplicações como a monitorização de prensas, medições de peso sob plataformas e sistemas de automação industrial.
As células de carga de tensão medem forças que tentam puxar a célula para fora. São comuns em células de carga de guindastes, balanças suspensas e testes de tensão estrutural.
As Células de Carga de Botão são dispositivos compactos e de baixo perfil, usados onde há restrições de espaço. Apresentam frequentemente uma superfície em forma de cúpula para aplicar força de compressão e são frequentemente utilizadas em aplicações de teste e medição.
As células de carga digitais integram a eletrónica de condicionamento de sinal na própria célula de carga. Emitem sinais digitais diretamente, eliminando a necessidade de amplificadores externos ou conversores analógico-digitais.
As células de carga hidráulicas funcionam aplicando força a um pistão que comprime um fluido confinado. A alteração da pressão no fluido é proporcional à força aplicada e é lida por um manómetro. Estas são robustas, ideais para ambientes perigosos e não requerem energia para a geração de sinal.
As células de carga pneumáticas funcionam de forma semelhante às versões hidráulicas, mas utilizam pressão de ar em vez de fluido. São adequadas para ambientes limpos e propensos a explosões e oferecem menor precisão, mas elevada segurança e fiabilidade.
As células de carga indutivas e de relutância utilizam alterações na indutância ou na relutância magnética para medir o deslocamento causado por uma carga aplicada. Os tipos indutivos detectam alterações na indutância da bobina, enquanto os tipos de relutância medem variações na relutância magnética devido ao movimento do núcleo. São geralmente utilizados quando a medição sem contacto é vantajosa ou quando é necessária imunidade ao ruído elétrico.
Caraterísticas e especificações
Os principais parâmetros que definem o desempenho de uma célula de carga incluem:
- Capacidade nominal: A força máxima que a célula pode medir com precisão.
- Sensibilidade: A relação entre o sinal de saída e a carga aplicada, normalmente em mV/V.
- Linearidade e histerese: Medidas da precisão com que a saída segue a carga de entrada.
- Fluência e equilíbrio zero: Indicadores de estabilidade ao longo do tempo e sob carga sustentada.
As células de carga também variam em termos de material (aço inoxidável, alumínio, etc.), proteção ambiental (classificação IP) e configuração de montagem, consoante a aplicação.
Aplicações das células de carga
As células de carga são omnipresentes nos sistemas de engenharia modernos. Em balanças industriais, elas garantem uma pesagem precisa em linhas de produção e logística. As células de carga para gruas são integradas em sistemas de elevação para monitorizar as forças de elevação, aumentando a segurança e a eficiência. Nas máquinas de ensaio de materiais, fornecem feedback em tempo real sobre a tensão e a deformação. Na robótica, as células de carga permitem o feedback da força, crucial para manipulações delicadas e montagem automatizada. Além disso, são utilizadas na indústria aeroespacial, em testes de colisão automóvel, na biomecânica e na agricultura.
Gama de preços
O custo das células de carga varia muito, consoante o tipo, a capacidade, a precisão e a robustez ambiental. As células de carga strain gauge básicas podem começar em torno de US$ 30 a US$ 100. Modelos de alta capacidade ou altamente precisos podem custar de várias centenas a milhares de dólares, particularmente para aplicações especializadas como testes aeroespaciais ou metrologia de alta precisão.
Perguntas técnicas comuns
O que é uma célula de carga? Uma célula de carga é um sensor que converte a força mecânica em uma saída elétrica, geralmente usando a tecnologia de strain gauge.
Como é que uma célula de carga funciona? Funciona detectando a deformação num elemento de deformação causada pela força aplicada, traduzindo-a num sinal elétrico mensurável.
O que é uma célula de carga strain gauge? É uma célula de carga que utiliza extensómetros de resistência eléctrica ligados para detetar alterações na deformação devido a cargas aplicadas.
Qual é a equação para uma célula de carga? A equação típica baseia-se na ponte de Wheatstone e nas alterações de resistência: .
O que é uma célula de carga de compressão? Uma célula de carga concebida especificamente para medir forças de compressão (empurrão).
O que é um amplificador de célula de carga? Um dispositivo que aumenta o sinal de nível microvolt de uma célula de carga para uma tensão mais alta adequada para sistemas digitais.
O que é uma célula de carga de botão? Uma célula de carga de compressão pequena, em forma de disco, utilizada em aplicações com restrições de espaço.
O que é uma célula de carga de guindaste? Uma célula de carga de tensão de alta capacidade utilizada para medir a carga em gruas e guindastes.
O que é uma célula de carga digital? Uma célula de carga com eletrónica integrada que emite um sinal digital, simplificando a aquisição e o processamento de dados.
O que é uma célula de carga hidráulica? Uma célula de carga que utiliza um pistão para comprimir um fluido, com alterações de pressão que reflectem a força aplicada.
O que é uma célula de carga pneumática? Uma célula de carga que mede a força equilibrando-a contra a pressão do ar.
O que é uma célula de carga indutiva ou de relutância? Uma célula de carga que utiliza princípios electromagnéticos para detetar deslocamentos devidos à força, útil em ambientes de deteção específicos.
Em resumo, as células de carga são componentes fundamentais em sistemas que exigem medição precisa de força. Ao compreender os seus princípios, tipos e aplicações, os engenheiros podem tomar decisões informadas ao selecionar a célula de carga adequada às suas necessidades específicas.
