1. Struttura e funzionamento

Le celle di carico vengono impiegate per misurare il peso. Sono parte integrante della nostra vita quotidiana. "In macchina o al banco dei formaggi del supermercato – le celle di carico sono ovunque", afferma il responsabile prodotto di HBM, Stefan Schmidt. Ovviamente di solito non sono riconoscibili immediatamente, perché sono nascoste nella struttura interna degli strumenti.

Le celle di carico solitamente sono composte da un elemento elastico, sul quale sono stati posizionati gli estensimetri. L’elemento elastico in genere è in acciaio o alluminio, quindi è molto robusto, ma ha anche una minima elasticità. Come suggerisce il nome, l’"elemento elastico" in acciaio subisce una leggera deformazione sotto carico, ma è in grado di tornare nella posizione di partenza rispondendo alla sollecitazione. Queste variazioni minime possono essere rilevate con gli estensimetri. La deformazione degli estensimetri viene poi interpretata dall’elettronica analitica per determinare il peso.

Per comprendere quest’ultimo punto, consideriamo gli estensimetri in dettaglio: Sono conduttori elettrici collegati saldamente ad una pellicola con un motivo a zig-zag. Quando viene tirata la pellicola, la pellicola stessa e i conduttori si allungano. Quando si contrae, si restringe. Queste variazioni provocano un cambiamento di resistenza nei conduttori elettrici. La deformazione può essere determinata su questa base, in quanto la resistenza aumenta con la deformazione e diminuisce con la contrazione.

Gli estensimetri sono saldamente collegati all’elemento elastico, quindi sono solidali ai movimenti dello stesso. Questi estensimetri sono sistemati in un cosiddetto circuito ponte, o meglio un circuito a ponte di Wheatstone (v. diagramma). Questo significa che quattro estensimetri sono collegati "ad anello" e la griglia di misurazione della forza misurata è allineata di conseguenza.

Se un oggetto viene posizionato sulla cella di carico oppure sospeso da essa, è possibile determinare il peso dell’oggetto. Il carico destinato ad una cella di carico è sempre allineato nella direzione del centro della Terra, ovvero nella direzione della gravità. Occorre quindi acquisire soltanto il componente di forza del carico. Non è questo il caso, però, dei trasduttori di forza, che sono simili nel design: solitamente sono progettati per acquisire carichi in ogni direzione. La direzione della forza gravitazionale della Terra non è rilevante per le modalità di installazione.

Stefan Schmidt, responsabile prodotto di HBM per le celle di carico con lamina in flessione, perno bilanciere e i moduli di pesatura

 

In questo articolo, Stefan Schmidt spiega come funziona una cella di carico. Che cosa collega con le celle di carico:

"Cose sempre nuove e interessanti! Non ci si annoia mai".

Lo schema mostra un esempio di circuito a ponte di Wheatstone: qui sono collegati quattro estensimetri "ad anello".

1.1 Dipende dall’applicazione

Esistono diversi tipi di celle di carico per diverse applicazioni. Tra quelle più usate vi sono:

 

Molte celle di carico hanno anche caratteristiche specifiche, come speciali design o proprietà del materiale. Queste caratteristiche possono essere più o meno importanti a seconda dell’applicazione, ad esempio se i sistemi devono essere puliti accuratamente ogni giorno. Alcune celle di carico sono in grado di resistere a questo tipo di sollecitazione senza difficoltà, mentre altre no.

Le celle di carico possono anche essere suddivise in categorie in base al tipo di trasmissione del segnale: le celle di carico digitali hanno un’elettronica integrata per elaborare i risultati di misura e presentarli in un formato predisposto. Per le celle di carico analogiche, è necessario un dispositivo aggiuntivo: un amplificatore di misura.

Quattro estensimetri vengono posizionati sulle celle di carico in basso, nel punto in cui si ha la deformazione maggiore quando viene applicata la forza. La freccia punta in direzione dell’applicazione della forza.

Cella di carico con forza di compressione
Cella di carico con lamina in flessione
Cella di carico a singolo punto
Cella di carico in trazione

1.2 Altre considerazioni importanti per le celle di carico

Una funzione speciale delle celle di carico è che l’ambiente in cui sono usate ha un ruolo determinante, in diversi modi.

Temperature ambiente

Tutti i materiali subiscono modifiche in base alla temperatura, espandendosi in risposta al calore o contraendosi in risposta al freddo. Ovviamente vale lo stesso per le celle di carico e i loro estensimetri. Ciò implica anche alterazioni alla resistenza elettrica del conduttore. Eppure le celle di carico devono misurare il peso corretto in tutto il mondo, indipendentemente dalla temperatura ambiente. Per farlo, all’interno di ogni cella di carico HBM è integrato un sofisticato meccanismo di compensazione della temperatura.

Le celle di carico devono essere in grado di resistere a svariati effetti. "Prendiamo l’esempio di una pesa: queste bilance sono esposte agli elementi atmosferici, quali pioggia, sporcizia o calore, quindi devono essere in grado di resistere alle condizioni ambientali esterne. In tutto il mondo: una pesa usata in Siberia, per esempio, è esposta a effetti diversi da una che sia installata in Sudafrica. Però hanno una cosa in comune: devono essere progettate per ambienti con condizioni atmosferiche gravose, quindi devono avere una robustezza sufficiente”, afferma Stefan Schmidt.

Una pesa con celle di carico HBM

Applicazione della forza in altre direzioni ("forze parassite")

A seconda dell’ambiente tecnico in cui è installata una cella di carico, per esempio in un sistema per pesare container o in una cella di carico sotto un nastro trasportatore, potrebbero aggiungersi altri carichi. Le "forze parassite" sono forze che agiscono sulla cella di carico non solo nella direzione principale desiderata, ma anche da un lato, da sotto o da altra direzione. La cella di carico non è stata sviluppata per questo scopo, quindi i risultati delle misurazioni potrebbero essere imprecisi o comunque errati. Occorre quindi prestare attenzione durante l’installazione, per accertarsi che le forze parassite siano assenti o minime. Gli accessori e i moduli di pesatura della cella di carico HBM aiutano gli utenti a ridurre queste forze parassite e a ottenere risultati di misura precisi.

2. Uso delle celle di carico

Ovviamente spesso le celle di carico vengono installate nelle pese, ma si trovano anche in tante altre applicazioni. Pensiamo agli impianti di imbottigliamento, oppure ai sistemi di riempimento di bottiglie e lattine in base al peso, con una cella di carico sotto ciascun pezzo. Oppure ai sistemi di smistamento per distribuire caramelle o patate nei sacchetti in modo che abbiano lo stesso peso alla fine del processo.

"È incredibile vedere quante sono le applicazioni che richiedono la misurazione del peso". - Stefan Schmidt

Ma c’è anche un utilizzo inconsueto delle celle di carico, come sottolinea Schmidt: "Per esempio, la nostra cella di carico a punto singolo PW15iA viene usata nello sviluppo di abbigliamento altamente performante per triathlon e nuoto: misura la resistenza all’acqua dei costumi degli atleti di fama mondiale”.

Nell’ambito dell’attuale ricerca per dimostrare gli effetti della resistenza all’acqua di diversi tipi di costumi per campioni mondiali di nuoto, la Huub Ltd. sta lanciando sul mercato il suo nuovo sistema M16 per misurare la resistenza all'acqua. Il sistema impiega celle di carico di tipo PW15iA di HBM.

2.1 Precisione

Indipendentemente dall’applicazione per cui è usata, la cella di carico ha un ruolo estremamente importante. Le celle di carico sono disponibili con diverse capacità massime (la capacità massima indica il carico massimo presunto) e le classi di precisione. La tecnologia degli estensimetri è usata soprattutto per raggiungere le classi C e D. Le celle di carico con estensimetro dotate di correzione elettronica sono usate in alcune pesatrici con classi di precisione più alte.

"Il peso ha un ruolo fondamentale nell’industria, perché le merci vengono vendute soprattutto a peso". - Stefan Schmidt

Per questo motivo, la pesatura soggiace a rigide norme. A seconda del tipo di merci è possibile usare bilance diverse: per le merci di basso valore (come sabbia o ghiaia), non sono necessarie pesatrici particolarmente precise, infatti è sufficiente una classe di precisione D. Per i prodotti farmaceutici invece, sono richieste le classi di precisione massime, A o B. Le merci di consumo più comune, come la carne, la frutta e la verdura, sono pesate con la classe di misurazione C, che richiede già un elevato livello di precisione da parte del sistema di pesatura. Ma la classe di precisione C è richiesta anche nell’ingegneria meccanica o per costruire bilance per materiali.

Le leggi e le norme rigide che disciplinano la pesatura continuano a presentare nuove sfide per gli sviluppatori delle celle di carico. Per le celle di carico con classe di precisione OIML maggiore, è ammessa una deviazione dalla precisione di pochi ppm (parti per milione) nell’intervallo di misura della cella di carico.

"È incredibile come sia possibile misurare con precisione usando un pezzo di acciaio e un estensimetro incollato sopra", afferma Stefan Schmidt. "Ma non si può fare senza il know-how necessario. Negli ultimi anni, HBM è riuscita sistematicamente ad aumentare la precisione su diverse celle di carico. Un processo di sviluppo continuo che non finisce mai".

2.2 Regolazione, taratura e verifica legale

Per garantire che una cella di carico lavori correttamente nel luogo in cui è installata, di solito non ci si limita a impostarla e tararla in fabbrica, ma si sottopone a verifica nel luogo di installazione. La taratura e la verifica legale sono processi in cui la cella di carico è caricata con pesi noti a scopo di controllo. Se si posa un chilo sulla cella di carico o sulla pesatrice, allora, a seconda della classe di precisione, anche il peso indicato deve essere un chilo, non per esempio 857 grammi. In questo modo è possibile rilevare anche gli effetti indesiderati, come le forze parassite.

Prospettive

Le celle di carico basate sugli estensimetri possono essere usate per una vasta gamma di applicazioni e hanno un’elevata precisione. Questa precisione può essere ottenuta soltanto con un know-how adeguato, che a sua volta si basa sull'esperienza. HBM vanta oltre 65 anni di esperienza nello sviluppo delle celle di carico e continua a cercare nuove soluzioni per rispondere alle esigenze del futuro.

"Dieci anni fa spesso i clienti ci chiedevano che cosa sarebbe arrivato dopo la tecnologia degli estensimetri, in quanto questa tecnologia era ormai sfruttata completamente. Ovviamente ci siamo posti la stessa domanda”, continua Stefan Schmidt. “Nel corso delle nostre valutazioni abbiamo però concluso che la tecnologia degli estensimetri è tutt’altro che completamente sfruttata, infatti presenta ancora infinite opportunità per migliorare i nostri sensori e, con essi, i prodotti dei nostri clienti”. Più precisi, più robusti, più veloci, più intelligenti - non c’è quindi una fine prevedibile per lo sviluppo tecnologico delle celle di carico.