Come funziona una cella di carico a trave in flessione?
In fase di misurazione, il peso agisce sulla molla di metallo della cella di carico e provoca una deformazione elastica. Questa deformazione (positiva o negativa) viene convertita in segnale elettrico da un estensimetro installato sulla molla. Il tipo di cella di carico più semplice è costituito da una trave in flessione con un estensimetro. Spesso, i componenti di base (obbligatori), ossia la molla e l’estensimetro, sono affiancati da elementi aggiuntivi (alloggiamento, elementi per la sigillatura ecc.) che proteggono gli elementi dell’estensimetro.
Celle di carico a trave in flessione
Le celle di carico a trave in flessione risultano le più adatte per molteplici compiti di misura. Il loro segnale dipende principalmente dal momento flettente. Tuttavia, se il punto di applicazione del carico varia nella direzione longitudinale della trave in flessione, a parità di carico verranno generati segnali diversi.
Per tale ragione, la trave in flessione singola viene raramente usata per costruire celle di carico, essendo necessari speciali dispositivi per mantenere costante il punto di applicazione del carico (effetto del braccio di leva).
Fig. 1: Principio della doppia trave in flessione
Celle ci carico con più travi in flessione
Per i carichi fino a 5 t, spesso si utilizzano come molle più travi in flessione. Questo tipo di cella di carico usa soprattutto due (doppia trave in flessione) o tre (tripla trave) travi in flessione. Le travi sono accoppiate tramite elementi rigidi sul lato della chiusura o su quello dell’applicazione del carico. L’accoppiamento rigido provoca uno spostamento solo verticale del punto di applicazione del carico e una deformazione a S delle due travi. Questo sistema è decisamente meno sensibile alle variazioni del punto di applicazione del carico rispetto a un sistema con una sola trave in flessione. La deformazione a S genera zone di deformazione positive e negative vicine tra loro e rende molto più semplice l’installazione e il cablaggio dell’estensimetro. Nella Figura 2 sono illustrati diversi tipi di doppia trave in flessione.
Fig. 2: Tipi di doppia trave in flessione
Celle di carico a trave in flessione di HBM
La gamma di celle di carico di HBM usa diverse versioni di travi in flessione. Le travi in flessione vengono utilizzate nelle applicazioni per la pesatura dei serbatoi, l’impiantistica e la pesatura di processo. Molte di queste celle di carico con più travi in flessione sono state approvate, ad esempio, dall’Istituto Nazionale di Metrologia Tedesco (PTB), per l’integrazione in bilance usate per applicazioni legali per il commercio o in atmosfera potenzialmente esplosiva. Sono disponibili anche certificati per l’uso internazionale. Tipiche celle di carico a trave in flessione di HBM sono la Z6 e la HLC. Presentano le seguenti differenze:
Celle di carico Z6/Z6R
Queste celle di carico cilindriche sono ampiamente utilizzate. Z6 è stata sviluppata da HBM nel 1972 ed è diventata lo standard, con milioni di unità prodotte in tutto il mondo. La cella di carico, con capacità massime comprese tra 5 kg e 1 t, viene usata sulle bilance a piattaforma e sulle bilance per nastri trasportatori per la misurazione di dosaggio e livello e per moduli di pesatura utilizzati, ad esempio, nelle applicazioni di pesatura dei serbatoi. L’elemento di misura sensibile è protetto dal caratteristico soffietto.
La cella di carico a trave in flessione Z6R è stata progettata per capacità massime comprese tra 20 e 200 kg ed è compatibile dal punto di vista meccanico ed elettrico con la Z6. È stata sviluppata in particolare per essere utilizzata in applicazioni con requisiti igienici molto rigidi e in ambienti ostili. A differenza della Z6, il suo design non prevede soffietti, ma un corpo di misura sigillato ermeticamente, senza spazi vuoti o spigoli, che la rende molto facile da pulire.
Con le celle di carico Z6/Z6R, gli estensimetri vengono installati sulla superficie piana nella zona interessata dalle deformazioni (in alto o in basso rispetto ai due fori passanti) (vedi immagine 1 o 2 [a seconda della capacità massima] in figura 2). La zona di deformazione viene poi sigillata ermeticamente con un soffietto in acciaio inossidabile saldato (Z6) o con un tubo in acciaio inossidabile robusto (Z6R).
Celle di carico HLC
Queste celle di carico a forma di cubo sono disponibili con capacità massime comprese tra 110 kg e 10 t. Sono utilizzate sulle bilance per serbatoi, dosaggio e a piattaforma oltre che per il monitoraggio del livello. Con le celle di carico HLC, gli estensimetri sono installati nel foro passante dell’elemento di misurazione (vedi l’ultima immagine in figura 2). Questa zona viene sigillata ermeticamente tramite coppiglie in acciaio inossidabile saldate.
Altri design
Esistono molti altri design delle celle di carico, oltre a quelle a trave in flessione. Riportiamo qui di seguito alcuni esempi:
Celle di carico per carico di trazione/compressione
Le celle di carico a trazione consentono di pesare carichi sospesi come ad esempio i serbatoi. Alcune applicazioni tipiche sono la misurazione del livello gravimetrico o le applicazioni con serbatoi di processo sospesi. Le celle di carico a compressione misurano i carichi applicati ad esempio, sulle bilance su veicoli, silos e pesatura di siviera o bilance per il dosaggio.
Celle di carico a trave di taglio
Le celle di carico a trave di taglio offrono un’eccellente stabilità in caso di forze laterali. Lo sforzo di taglio non varia se il punto di applicazione del carico si sposta all’interno di un determinato intervallo. Di conseguenza, il segnale elettrico che è proporzionale al carico applicato risulta essere indipendente dal punto di applicazione del carico. Tuttavia, ci sono alcuni effetti secondari che possono influire sul risultato di misura.
Design speciali, come celle di carico ad anello torsionale
Le celle di carico ad anello torsionale sono molto piccole e possono, quindi, essere utilizzate in molte applicazioni di pesatura diverse. Il loro design robusto assicura condizioni di installazione e di esercizio favorevoli anche in ambienti ostili (mezzi aggressivi, interferenze, variazioni di temperatura). Le celle di carico basate su questo principio sopportano carichi laterali più alti.
