1. Design e função

Células de carga são usadas para medir o peso (massa). São integrantes da nossa vida diária. “Em seu carro ou na balança do supermercado: encontramos células de carga em todos os lugares”, diz Stefan Schmidt, Gerente de Produtos da HBM. Elas não são reconhecidas de imediato, porque funcionam escondidas no interior dos equipamentos.

As células de carga consistem de um elemento de medição onde os strain gages são fixados. Este elemento é geralmente feito de aço ou alumínio. Isso significa que é muito resistente, mas também possui uma elasticidade mesmo que mínima. O aço ou alumínio é levemente deformado sob o efeito da carga, mas então volta à sua posição inicial, com uma resposta elástica a cada carga. Estas mudanças extremamente pequenas (micro deformações) podem ser medidas pelos strain gages (abreviado como SG). Então finalmente a deformação do SG é interpretada pela eletrônica (amplificador) que permite assim, determinar o peso.

Para entender este ultimo ponto, consideremos os SGs com mais detalhes: eles são condutores elétricos firmemente fixos a um filme (carrier - ex.: Constantan ou Ni-Cr). Quando o filme é "puxado", ele e seus condutores ficam mais longos. Assim como quando é contraído, ficam mais curtos. Isso faz com que a resistência dos condutores elétricos varie. A micro deformação pode ser determinada desta forma, a resistência aumenta com a deformação e diminui quando ocorre a contração.

Os SGs são firmemente fixados no elemento de mola, então são submetidos aos mesmos movimentos. Estes SGs são dispostos em um circuito ponte ou, mais precisamente, um circuito ponte de Wheatstone (veja o diagrama). Isso significa que quatro SGs são conectados em um “anel” e o grid de medição da força a ser medida é alinhado em conformidade.

Se um objeto é colocado sobre a célula de carga ou suspenso a partir dela, o peso do objeto pode ser determinado. A carga pretendida para uma célula de carga é sempre alinhada na direção do centro da Terra, ou em outras palavras, na direção da gravidade. Apenas o componente da carga deve ser medido. Não é o caso para os sensores de força, que são muito similares na construção: eles são geralmente projetados para medir cargas que ocorrem em todas as direções. A direção da força gravitacional da Terra não é relevante da forma que são instalados.

Stefan Schmidt, Gerente de Produtos para células de carga tipo beam e rocker pin e módulos de pesagem na HBM.

 

Neste artigo, Stefan Schmidt explica como uma célula de carga trabalha. O que ele fala sobre as células de carga:

"Sempre novas e interessantes atribuições! Nunca fica chato."

O diagrama mostra como é um circuito de ponte de Wheatstone: aqui, quatro SGs são conectados em um “anel”.
Célula de carga para compressão
Célula de carga tipo beam
Célula de carga single point
Célula de carga de tração

1.1 Depende da aplicação

Existem diferentes tipos de células de carga para diferentes aplicações. As mais usadas incluem:

Muitas células de carga também apresentam propriedades especiais, como design especial ou as propriedades do material com o qual são construídas. Isso pode ser importante, dependendo da aplicação, como por exemplo, se os sistemas precisam ser cuidadosamente limpos diariamente. Algumas células de carga podem suportar este tipo de tarefa sem dificuldades; outras não.

Células de carga também podem ser categorizadas baseadas no tipo de sinal de transmissão: células de carga digitais possuem uma eletrônica interna usada para processar os resultados de medição e enviá-los no formato pré-definido (digital). Para as células de carga analógicas, é necessário um equipamento adicional: um amplificador de medição.

Quatro SGs são posicionados nas células de carga embaixo do ponto onde ocorre a maior deformação quando a força é aplicada. A seta está apontando para a direção da força aplicada.

1.2 Outras considerações importantes para células de carga

O ambiente onde as células de carga serão usadas desempenha um papel decisivo de inúmeras maneiras.

Temperaturas ambiente

Todo material muda com a temperatura, se expandindo em resposta ao calor e se contraindo em resposta ao frio. Claro que o mesmo se aplica às células de carga e seus strain gages. Isso também altera a resistência elétrica do condutor.  No entanto, as células de carga devem medir o peso correto em qualquer lugar do mundo, independente das condições climáticas. Para se conseguir isso, um sofisticado mecanismo de compensação de temperatura é incorporado em cada célula de carga HBM.

As células de carga devem ser capazes de suportar a vários efeitos. “Considere uma balança de caminhões: estas balanças são expostas à chuva, sujeira, calor e outras intempéries. Elas têm que suportar condições ambientais ao ar livre. E falamos isso mundialmente: uma balança de caminhão na Sibéria, por exemplo, é exposta a diferentes efeitos que uma na África do Sul. Mas elas devem ter algo em comum: devem ser projetadas para ambientes com clima severo e, portanto, devem ser muito robustas”, diz Stefan Schmidt.

Uma balança para caminhões equipada com células de carga da HBM

Aplicação de força em outras direções (“forças parasitas”)

Dependendo do ambiente no qual uma célula de carga é instalada, como por exemplo, em um sistema para pesagem de containers ou em uma correia transportadora, podem ocorrer outras cargas além do peso que se deseja medir. “Forças parasitas” são forças atuantes na célula de carga não apenas na direção principal desejada, mas também a partir do lado, de baixo ou em algum outro sentido. A célula de carga não foi desenvolvida para este propósito e os resultados da medição podem, neste caso, ser imprecisos ou equivocados. Portanto, devemos ter cuidado durante a instalação para garantir que não hajam forças parasitas ou tentar reduzi-las ao máximo. Os acessórios de célula de carga e módulos de pesagem da HBM ajudam muito os usuários a minimizar estas forças parasitas e a atingir resultados precisos e confiáveis na medição.

2. Usando células de carga

Claro que células de carga são frequentemente instaladas em balanças. Mas também há muitas outras aplicações. Por exemplo, sistemas para envase de garrafas e latas por meio de pesagem, com uma célula de carga em cada ponto de medição. Ou sistemas de classificação para distribuição de doces ou batatas em sacos para que todos tenham o mesmo peso no final do processo de produção.

"É surpreendente quantas aplicações requerem medições de peso." - Stefan Schmidt

E também há usos “incomuns” para as células de carga, com Schmidt aponta: “Por exemplo, nossa célula de carga single point PW15iA é usada no desenvolvimento de vestuários e roupas de banho de alta performance para triátlon: ela mede a resistência da água nos trajes para nadadores de classe mundial.”

Como parte de sua pesquisa atual para demonstrar o efeito da resistência da água em diversos trajes para nadadores de classe mundial, a Huub Ltd. está lançando no mercado seu novo sistema M16 para medição da resistência da água. Este sistema utiliza células de carga PW15iA da HBM.

2.1 Precisão

Não importa em qual aplicação uma célula de carga é usada, a precisão desempenha um papel fundamental. As células de carga estão disponíveis em diferentes capacidades (a capacidade máxima define a carga máxima pretendida) e classes de precisão. A tecnologia de strain gages é usada principalmente para se obter as classes C e D. Células de caga com correção eletrônica são usadas em algumas balanças com classes de precisão mais altas.

"O peso desempenha um papel essencial na indústria porque bens de consumo são vendidos principalmente por peso." - Stefan Schmidt

Por conta disso, a pesagem é estritamente regulamentada. O uso de diferentes balanças é permitido dependendo do produto: para bens de baixo valor agregado (como areia ou cascalho), a balança não precisa ser extremamente precisa: precisão classe D é o suficiente. Para produtos farmacêuticos, por outro lado, são necessárias as mais altas classes de precisão A e B. Os bens de consumo mais comuns, como carne, frutas e vegetais são pesados com classe de precisão C, o que já atende altos requisitos na precisão do sistema de pesagem usado. Mas a classe de precisão C é também necessária na engenharia mecânica ou para fabricação de materiais de construção.

As regras e padrões para pesagem apresentam continuamente novos desafios para os desenvolvedores de células de carga. Para células de carga de alto padrão de precisão OIML, ainda é permitido um desvio na precisão de algumas ppm (partes por milhão) da faixa de medição da célula de carga.

“É impressionante o quão preciso você pode medir com um pedaço de metal e um strain gage colado nele”, comenta Stefan Schmidt. “Mas isso não pode ser feito sem o conhecimento necessário. Nos últimos anos, a HBM tem conseguido aumentar a precisa alcançada por muitas células de carga. Um processo contínuo de desenvolvimento que nunca termina.”

2.2 Ajuste, calibração e verificação legal

Para garantir que uma célula de carga funcione em campo da forma que deve funcionar, geralmente ela não é apenas ajustada e calibrada na fábrica, mas também verificada no local de instalação. Calibração e a verificação legal são processos pelos quais a célula de carga é aferida com pesos conhecidos para fins de controle. Se um quilo estiver em repouso na célula de carga ou na balança, dependendo da classe de precisão, o peso indicado também deveria ser um quilo e não 857 gramas, por exemplo. Desta forma, efeitos indesejáveis, como forças parasitas, também podem ser detectadas.

Tendências na tecnologia de células de carga

As células de carga podem ser usadas em uma ampla variedade de aplicações e apresentam alta precisão. Esta precisão pode ser atingida apenas com o conhecimento apropriado, o que se baseia, por sua vez, na experiência. A HBM possui mais de 65 anos de experiência no desenvolvimento de células de carga e está trabalhando continuamente em novas soluções para atender aos requisitos de amanhã.

“Há dez anos, os clientes sempre nos perguntavam o que viria depois da tecnologia de strain gages, já que esta tecnologia estava sendo totalmente explorada. Claro que nos fizemos a mesma pergunta”, continua Stefan Schmidt. “Mas no decorrer de nossas pesquisas, determinamos que a tecnologia SG esteja longe de estar totalmente explorada e que ainda existem inúmeras outras oportunidades para melhorar de forma decisiva nossos sensores e, com eles, os produtos de nossos clientes.” Mais precisas, mais robustas, mais rápidas e mais inteligentes: não há um fim previsível para o desenvolvimento tecnológico das células de carga.