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CELLE DI CARICO

Che cosa sono le celle di carico?

Le celle di carico sono sensori generalmente utilizzati per la misura del peso. In termini tecnici si possono definire come la parte attiva di un sensore per la trasduzione di forze – tra cui la misura del peso, che è l’impiego più comune. Questo tipo di sensori rileva in modo indiretto la deformazione meccanica di un oggetto, leggendolo, solitamente, attraverso i Volt o i millivolt. Le celle di carico utilizzate da Nanolever, tuttavia, riescono ad applicarsi nell’ordine dei microvolt.

Metterla subito su questo piano può portare a credere che si tratti di strumenti molto specifici, utilizzati solo in determinati contesti. E questo da un certo punto di vista è vero, ma solamente in parte. Questo perché nella nostra vita quotidiana incontriamo le celle di carico molto spesso. O meglio, più di quanto si possa credere.

Un esempio pratico, forse banale ma immediato, può essere proprio quello della bilancia su cui ogni tanto ci pesiamo. Oppure, quella presente in tutti i supermercati, al banco della frutta e della verdura. E allargando ancora un po’ questa prospettiva – restando per un attimo fuori dal discorso industriale che trova Nanolever in prima linea – persino Amazon Go, il supermercato del futuro, fonda la sua esistenza sulle celle di carico.

Il fatto è che questi sensori sono praticamente invisibili. Si trovano, infatti, all’interno dei macchinari utilizzati per la pesatura. Sia che si tratti di sistemi di pesatura industriali, che di piccole bilance alimentari. O di tutt’altro tipo ancora. Come bilance da orafo, bilance farmaceutiche, bilance per veicoli… insomma, è facile incontrare questo tipo di sensori un po’ dappertutto.

celle di carico - immagine decorativa

Utilizzo delle celle di carico

Questi sensori, nonostante siano di dimensioni ridotte, racchiudono dentro di sé un intero universo. Oltre ad essere utilizzati nei sistemi di pesatura industriali, il loro impiego sfocia in numerosi altri ambiti. Questo perché consentono di misurare dai microgrammi alle tonnellate. Ecco alcune situazioni in cui sono d’uso comune.

– Dosaggio e smistamento di prodotti alimentari

– Controllo qualità per l’industria farmaceutica

– Sistemi di riempimento bottiglie e lattine

– Pesatura di mezzi di trasporto (autocarri, vagoni dei treni, navi, tramogge, serbatoi, ecc.)

– Carichi su funi

– Rilevazione di sforzi meccanici

– Banchi prova

Celle di carico
Celle di carico
Celle di carico

Tipologie e principi di misura

Esistono di diverse tipologie di celle di carico. Tipologie che si basano, ovviamente, su principi di misura molto diversi tra loro. Per esempio: sistemi capacitivi, estensimetrici, a stato solido e a compensazione elettromagnetica. Nello specifico, la tecnologia Nanolever si fonda sull’utilizzo di celle di carico off-center.

Altre tipologie di sensori comunemente utilizzati possono essere le celle di carico con lamina in flessione, le celle con forza di compressione e, infine, quelle in trazione. Ognuna di queste, va da sé, si basa su principi di funzionamento specifici. La scelta di una tipologia a discapito dell’altra, infatti, si determina in base alle esigenze delle aziende che adottano, per un motivo o per l’altro, un certo sistema.

In ogni caso, la maggior parte di questi sensori è di tipo elettronico. E subito dopo, in ordine di importanza – frequenza di utilizzo -, troviamo quelle idrauliche. O che dir si voglia, idrostatiche. In genere queste ultime vengono utilizzate all’aperto, per evitare alcune problematiche che si possono presentare, in determinate condizioni, con quelle elettroniche.

Celle di carico single point o off center

Le bilance più diffuse sono quelle off-center. Questi sistemi di pesatura presentano diverse particolarità che le rendono interessanti nella misura del peso. Bilance del genere consentono, infatti, di utilizzare un piatto per depositare la massa da pesare, ovunque sia il punto in cui appoggiare l’oggetto. Il centro di gravità coincide con il punto di applicazione del piatto alla cella. Quest’ultimo, ovviamente, si trova in linea con l’asse di applicazione della forza previsto da progetto.

Sono, inoltre, di piccole dimensioni, abbastanza facili da posizionare in macchine e attrezzi. Le loro dimensioni e geometrie rimangono tali anche quando il fondo scala cambia, aumentando il valore. Significa che le dimensioni esterne di queste celle rimangono identiche passando da una portata da 1 Kg a, per esempio, 30 Kg. Ciò che cambia, quindi, è solamente lo spessore della cartella dello scavo della cella.

Celle di carico - 4

Bilance a compensazione elettromagnetica

Le celle di carico a compensazione elettromagnetica, invece, sono particolarmente sofisticate. Tanto da meritarsi un piccolo paragrafo a parte. Si tratta di vere e proprie bilance che non utilizzano estensimetri, e che sono molto utili per rilevare precisioni di misura estremamente accurate, ad alta velocità.

Il loro funzionamento è simile, per analogia, a quello di una bilancia a bracci. Da una parte si trova il peso. Dall’altra, invece, un cilindro magnetizzato, che entra all’interno di un solenoide – una bobina elettromagnetica – il quale attrae quel cilindro magnetizzato fintanto che il braccio non si riallinea sullo zero. E che, quindi, equilibra il peso avvertito dal lato opposto. Dentro la bobina, per modificare il campo magnetico, viene introdotta una corrente, che determina la quantità di microgrammi – il peso – che poi si va a trasdurre.

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Che cosa sono gli estensimetri?

Una cella di carico è una struttura geometrica in metallo, in cui si sfrutta il campo elastico della sua deformazione. In questo modo, applicando su di essa degli estensimetri, si trasduce il segnale di tensione in valori numerici. Valori che rappresentano la misura del peso. Ogni volta che un prodotto viene posizionato sopra la cella, è possibile determinare il valore del peso.

La deformazione si misura infatti con un dispositivo che prende il nome di estensimetro. Nel caso più comune, l’estensimetro è di tipo resistivo, e posizionato nel punto in cui il sensore subisce la maggiore deformazione. Pertanto l’estensimetro si deforma esattamente come si deformano le celle. E nella deformazione, la resistenza elettrica si modifica. Perché la compressione – o l’allungamento – del filamento della resistenza, modifica anche la resistenza opposta allo scorrimento degli elettroni da parte del materiale di cui è composta.

Il principio di trasduzione estensimetrico

Questa tipologia di sensori sono spesso in alluminio – per esempio avional oppure, per casi speciali, leghe di acciaio. Come funzionano? Il principio di trasduzione è abbastanza semplice. Ogni volta che grava una massa sul sensore, questo si deforma a seguito del peso associato alla massa. Che è, a sua volta, dipendente dalla forza di gravità terrestre.

Il funzionamento degli estensimetri

Nella quasi totale maggioranza dei casi, come abbiamo detto, gli estensimetri sono posizionati su materiali che possono subire deformazioni se sottoposti a una forza. In genere, per l’appunto, le celle di carico sono realizzate in acciaio, oppure in alluminio. Sono metalli robusti, certo, ma anche dotati di una percentuale di elasticità. Metalli che sotto carico subiscono una certa deformazione, ma, una volta rimosso il prodotto da pesare, questi metalli tornano alla loro posizione di partenza. Ed è proprio in questo momento che entrano in gioco gli estensimetri. La loro presenza è infatti fondamentale per rilevare le variazioni e le deformazioni interpretate dall’elettronica a bordo del sistema di pesatura.

Può essere utile, a questo punto, avere una panoramica sugli estensimetri. Si tratta di strumenti di misura utilizzati per rilevare piccole deformazioni dimensionali. Deformazioni che possono essere causate sia da una sollecitazione meccanica – quindi, come spiegato sopra, dall’applicazione di un carico – che una sollecitazione di tipo termico. Gli estensimetri sono, poi, collegati ad una pellicola: quando viene tirata, finisce per allungarsi insieme ai conduttori. Quando invece si contrae, ovviamente, si restringe. La conseguenza di queste variazioni è un cambiamento di resistenza nei conduttori. E la deformazione si misura in funzione di questo principio, poiché la resistenza in questo caso, aumenta, mentre viceversa diminuisce in fase di contrazione.

Dato lo stretto legame tra gli estensimetri e i componenti ai quali sono collegati, gli estensimetri possono essere definiti come solidali a questi ultimi. La resistenza elettrica viene misurata tramite un circuito a ponte di Wheatstone. Il filo dell’estensimetro segue, infatti, la deformazione del componente a cui è collegata – come detto, allungandosi oppure accorciandosi. Mentre la misurazione della differenza di potenziale permette di risalire al valore della deformazione.

Utilizzo degli estensimetri resistivi

Nei punti di maggiore deformazione delle celle di carico sono incollati uno o più estensimetri. Gli esperti di misure estensimetriche chiamano, in funzione del numero di estensimetri utilizzati, le configurazioni: ponte intero, mezzo ponte o un quarto di ponte (se, rispettivamente, si utilizzano quattro estensimetri, due, o uno soltanto).

Questi termini non devono indurre in errore perché il circuito utilizzato per la misurazione è sempre incompleto. Il ponte completo si forma tramite resistori incollati in zone in cui non si creano deformazioni. Oppure, dove sono presenti all’interno della strumentazione per il condizionamento del segnale.

Celle di carico
Gli effetti delle forze parassite

Le forze parassite sono forze che non hanno effetto nella direzione desiderata dalla cella di carico. Bensì, possono provenire dai lati, da sotto o da un’altra direzione ancora. La loro provenienza – o la loro intensità -, infatti, è strettamente correlata al funzionamento della macchina automatica. Il rischio è quello di progettare una macchina automatica che agisce sulle celle di carico in modo scorretto, con forze parassite capaci di influenzare negativamente il risultato di misura del peso. Le celle di carico infatti non sono state realizzate per questo scopo: è necessario, nei posizionarle, essere certi che non vi siano troppe influenze esterne.

Tuttavia il sistema di pesatura Sigma Low, brevettato da Nanolever, elimina alla radice questo problema. Il posizionamento delle celle di carico, infatti, non risente in alcun modo di eventuali forze esterne. Tanto che è stato realizzato come soluzione per gli errori di misura indotti dalle vibrazioni dei macchinari industriali.

Precisione delle celle di carico

Le celle di carico estensimetriche a correzione elettronica possono raggiungere livelli di precisione molto elevati. Ovviamente, in base a che tipo di prodotto si desidera pesare, si scelgono una determinata bilancia ed una tipologia di celle di carico. Un certo sistema di pesatura può essere appropriato per misurare sabbia e ghiaia, altri sono indicati per frutta e verdura, mentre altri ancora sono adatti per la misura del peso di metalli preziosi – oppure dei medicinali.

Installazione e verifica legale

Una volta installata, qualsiasi cella di carico deve essere anche verificata in base alle sue reali funzioni. Ciò significa che tararla non basta. Taratura e verifica legale sono, infatti, processi per cui è fondamentale imbastire un controllo. Così facendo è possibile accorgersi di eventuali problematiche come le forze parassite, oppure, che la classe di precisione corrisponda a quella stabilita.

Tecnologie di pesatura: il sistema Sigma Low

Nanolever ha brevettato un sistema di pesatura con l’obiettivo di risolvere il dannoso problema delle vibrazioni, tipico dei macchinari industriali. Questi ultimi, infatti, vibrando, possono falsare il risultato ed indurre le industrie di trasformazioni a commettere sostanziali sprechi di materia prima. Per quanto riguarda la misura della massa da pesare, il sistema di pesatura Sigma Low è basato su una cella off-center. Il peso apparente, invece, viene misurato da un sistema dedicato.

Sigma Low grafico