Le celle di carico sono sensori utilizzati per misurare le forze e, attraverso un sistema elettronico opportunamente calibrato, determinare la massa di un oggetto o di un materiale. Sono componenti fondamentali della pesatura industriale e trovano applicazione in bilance, piattaforme, serbatoi, silos, tramogge e sistemi di dosaggio.
Ma come funzionano le celle di carico? Quali tipologie esistono e quali fattori ne influenzano la precisione? Per comprenderne le caratteristiche è utile partire dal principio fisico della misurazione e dalle tecnologie utilizzate per trasformare una sollecitazione meccanica in un segnale elettrico.
Cosa sono le celle di carico?
Una cella di carico è un trasduttore di forza, ossia un dispositivo che converte una forza applicata in un segnale misurabile. Nelle applicazioni industriali più comuni, il sensore è costituito da un elemento metallico progettato per deformarsi elasticamente quando viene sottoposto a un carico.
Questa deformazione, estremamente piccola e generalmente non percepibile a occhio nudo, viene rilevata da appositi elementi sensibili e trasformata in un segnale elettrico.
Il segnale viene successivamente elaborato da un indicatore, un trasmettitore o un sistema elettronico di controllo, che permette di visualizzare il valore misurato e utilizzarlo nelle operazioni di pesatura.
Le celle di carico non misurano direttamente il volume di un materiale: rilevano la forza esercitata dal carico. Attraverso una corretta calibrazione, il sistema di pesatura può esprimere il risultato in unità di massa, come chilogrammi o tonnellate.
Come funzionano le celle di carico?
Il funzionamento delle celle di carico dipende dalla tecnologia utilizzata. Una delle soluzioni più diffuse nella pesatura industriale è quella delle celle di carico estensimetriche, basate sulla deformazione elastica di un corpo metallico.
Quando viene applicata una forza, il corpo della cella subisce una deformazione proporzionale al carico, entro il proprio campo di funzionamento. Questa variazione viene rilevata dagli estensimetri, sensori la cui resistenza elettrica cambia in funzione della deformazione.
Il ruolo degli estensimetri
Gli estensimetri, chiamati anche strain gauge, sono elementi sensibili applicati alla superficie del corpo metallico della cella di carico.
Quando il metallo si deforma, anche gli estensimetri subiscono una variazione geometrica che modifica la loro resistenza elettrica. La variazione è molto piccola, ma può essere rilevata e trasformata in un segnale utilizzabile.
Il ponte di Wheatstone
Nelle celle estensimetriche, gli estensimetri sono generalmente collegati attraverso un ponte di Wheatstone, un circuito elettrico utilizzato per misurare piccole variazioni di resistenza.
Quando la cella non è sottoposta a carico, il circuito presenta una determinata condizione di equilibrio. L’applicazione della forza modifica le resistenze e genera una variazione del segnale elettrico in uscita.
Il segnale viene amplificato, convertito ed elaborato dall’elettronica di pesatura. Dopo la calibrazione, il sistema associa il segnale al valore del carico applicato.
Le fasi della misurazione
- Applicazione del carico: una forza agisce sull’elemento sensibile della cella.
- Deformazione elastica: il corpo metallico si deforma entro i limiti previsti dal progetto.
- Variazione elettrica: gli estensimetri rilevano la deformazione attraverso una variazione di resistenza.
- Elaborazione del segnale: l’elettronica converte il segnale in un valore misurabile.
- Visualizzazione: il sistema restituisce il valore della forza o della massa, in funzione dell’applicazione e della calibrazione.
Cosa misurano le celle di carico?
Dal punto di vista fisico, le celle di carico misurano una forza, la cui unità di misura nel Sistema Internazionale è il newton (N).
Nei sistemi di pesatura, tuttavia, il risultato viene normalmente visualizzato come massa, espressa in chilogrammi (kg) o tonnellate (t). Questa conversione viene effettuata dall’elettronica, tenendo conto della calibrazione del sistema.
È quindi importante distinguere tre grandezze:
- Forza: l’azione meccanica esercitata sul sensore.
- Massa: la quantità di materia, normalmente espressa in chilogrammi.
- Peso: la forza gravitazionale esercitata su una massa.
Nei sistemi di pesatura di contenitori e strutture industriali è inoltre necessario considerare la tara, ossia la massa del contenitore vuoto. Sottraendo la tara dalla massa complessiva si determina la massa netta del materiale.
Quali sono i diversi tipi di celle di carico?
Esistono differenti tipi di celle di carico, progettati per rispondere a specifiche condizioni di utilizzo. La distinzione più comune riguarda la direzione della forza applicata e il modo in cui si deforma l’elemento sensibile.
Celle di carico a compressione
Le celle di carico a compressione sono progettate per misurare forze che comprimono l’elemento sensibile. Vengono utilizzate frequentemente nei sistemi di pesatura di serbatoi, contenitori, silos e strutture sostenute da più punti di appoggio.
La scelta della cella deve considerare la portata richiesta, la distribuzione del carico e le eventuali sollecitazioni non verticali.
Celle di carico a trazione
Le celle di carico a trazione rilevano forze che tendono ad allungare l’elemento sensibile. Sono utilizzate, per esempio, nelle applicazioni con carichi sospesi e nei sistemi di misurazione delle forze di tiro.
Celle di carico a flessione
Le celle di carico a flessione sfruttano la deformazione di una trave sottoposta a una forza. Trovano applicazione in diverse tipologie di bilance, piattaforme e sistemi di pesatura.
La geometria della cella e le modalità di fissaggio sono elementi determinanti per ottenere misurazioni affidabili.
Celle di carico a taglio
Le celle di carico a taglio misurano le deformazioni prodotte da sollecitazioni di taglio. Sono utilizzate in numerose applicazioni industriali, anche quando occorre realizzare sistemi di pesatura con portate elevate.
Come scegliere una cella di carico?
La scelta di una cella di carico non dipende esclusivamente dal peso massimo da misurare. Occorre valutare le caratteristiche dell’applicazione, le condizioni operative e i requisiti di precisione.
Tra i principali parametri da considerare rientrano:
- Portata nominale: il carico per il quale il sensore è progettato.
- Tipologia di sollecitazione: compressione, trazione, flessione o taglio.
- Numero di punti di appoggio: importante nei sistemi con più celle.
- Precisione richiesta: in funzione del tipo di misurazione e del processo.
- Condizioni ambientali: temperatura, umidità, polveri e possibili agenti corrosivi.
- Carichi dinamici: vibrazioni, urti e variazioni rapide delle forze.
- Compatibilità elettronica: collegamento con indicatori, trasmettitori e sistemi di controllo.
Nel dimensionamento è necessario considerare anche il peso della struttura, la distribuzione delle forze e gli eventuali sovraccarichi. La scelta finale deve essere effettuata sulla base dei dati tecnici del sensore e del progetto di pesatura.
Qual è la precisione delle celle di carico?
La precisione delle celle di carico dipende sia dalle caratteristiche del sensore sia dalle condizioni nelle quali viene utilizzato.
Tra i parametri tecnici più importanti troviamo:
- Linearità: indica quanto la risposta del sensore si avvicina alla relazione ideale tra forza applicata e segnale prodotto.
- Isteresi: rappresenta la differenza di risposta che può verificarsi applicando e rimuovendo il carico.
- Ripetibilità: descrive la capacità di fornire risultati coerenti quando la stessa forza viene applicata più volte nelle medesime condizioni.
- Effetti della temperatura: le variazioni termiche possono influenzare il segnale e il comportamento meccanico del sistema.
- Calibrazione: permette di stabilire la relazione tra il segnale rilevato e il valore del carico.
La precisione dichiarata per una singola cella non coincide necessariamente con quella dell’intero sistema di pesatura.
Una distribuzione non uniforme delle forze, collegamenti meccanici rigidi, vibrazioni o errori di montaggio possono influenzare il risultato anche quando i sensori utilizzati presentano caratteristiche tecniche elevate.
Come posizionare le celle di carico?
Il posizionamento delle celle di carico deve essere definito in relazione alla struttura da pesare e alle forze che agiscono sui punti di sostegno.
Nei sistemi industriali, i sensori vengono generalmente installati in corrispondenza dei punti di appoggio previsti dal progetto, utilizzando moduli di montaggio compatibili con il tipo di cella e con le condizioni operative.
Durante la progettazione occorre considerare:
- la distribuzione del peso tra i diversi supporti;
- la massa della struttura vuota e il carico massimo previsto;
- le possibili spinte laterali e i carichi accidentali;
- la presenza di tubazioni e collegamenti meccanici;
- le dilatazioni termiche della struttura;
- le vibrazioni e le condizioni ambientali;
- le necessità di ispezione e manutenzione.
Un collegamento rigido non adeguatamente considerato può trasferire parte delle forze all’esterno del percorso di misura, compromettendo l’affidabilità della pesatura.
Per questo motivo, l’installazione deve essere progettata e verificata da personale qualificato, seguendo le indicazioni del costruttore dei sensori.
Come verificare il funzionamento delle celle di carico?
Le celle di carico e i relativi sistemi elettronici richiedono controlli periodici per verificare la continuità delle prestazioni.
Le attività possono comprendere:
- Ispezione visiva: controllo delle condizioni del sensore, dei supporti e degli elementi di fissaggio.
- Verifica dei collegamenti: controllo di cablaggi, connettori e protezioni.
- Controllo dello zero: verifica del comportamento del sistema in condizioni note.
- Prove di ripetibilità: confronto delle letture ottenute applicando più volte lo stesso carico.
- Verifica con carichi di riferimento: confronto tra il valore visualizzato e un valore noto.
È importante distinguere la verifica del singolo sensore da quella dell’intero sistema. Un errore di misura può dipendere anche dall’elettronica, dai collegamenti meccanici o dalle condizioni operative.
Le operazioni di calibrazione e manutenzione devono essere eseguite secondo le procedure previste e da personale competente.
Come funzionano le celle di carico per silos?
Nei sistemi di pesatura per silos, le celle di carico rilevano le forze trasmesse ai punti di sostegno della struttura. L’elettronica elabora i segnali e, sottraendo la tara, permette di determinare la massa del materiale contenuto.
La precisione dipende anche dalla distribuzione delle forze, dai collegamenti meccanici e dalle condizioni di installazione.
Per approfondire l’utilizzo dei sensori nel controllo delle quantità stoccate e nei processi industriali, consulta l’articolo A cosa servono le celle di carico?.
Celle di carico per tramogge: pesatura e dosaggio
Nelle tramogge industriali, le celle di carico consentono di misurare la massa del materiale contenuto e le sue variazioni durante il caricamento e lo scarico.
Questi dati possono essere utilizzati nei sistemi di dosaggio gravimetrico, anche attraverso la misurazione della perdita di peso durante l’estrazione.
Le tramogge in linea Poggi possono integrare sistemi elettronici di pesatura e dosaggio con celle di carico e nastro estrattore.
Qual è la differenza tra dosaggio volumetrico e gravimetrico?
Il dosaggio dei materiali può essere realizzato attraverso differenti principi di misurazione. Due modalità diffuse sono il dosaggio volumetrico e il dosaggio gravimetrico.
Dosaggio volumetrico
Il dosaggio volumetrico regola la quantità di materiale in funzione del volume erogato o di parametri operativi correlati alla portata, come il tempo di funzionamento di un dispositivo di estrazione.
È una soluzione utilizzata soprattutto quando il materiale presenta caratteristiche relativamente uniformi e il processo non richiede una misurazione diretta della massa erogata.
Dosaggio gravimetrico
Il dosaggio gravimetrico utilizza invece la massa misurata per controllare la quantità di materiale.
Nei sistemi a perdita di peso, detti anche sistemi di pesatura in detrazione, il materiale viene dosato rilevando la diminuzione della massa contenuta durante l’estrazione.
Questo principio permette di controllare le quantità effettivamente prelevate, anche quando la densità apparente del materiale può variare.
La scelta tra le due modalità dipende dalle caratteristiche del prodotto, dalla precisione richiesta e dalle esigenze del processo.
Celle di carico e sistemi di pesatura industriale
Le celle di carico rappresentano una tecnologia fondamentale per la misurazione delle forze e per la realizzazione di sistemi di pesatura industriale.
La scelta della tipologia di sensore, il corretto dimensionamento, la calibrazione e le condizioni di installazione sono aspetti determinanti per ottenere misurazioni affidabili.
Poggi progetta e realizza prodotti per lo stoccaggio e la movimentazione dei materiali sfusi, configurabili con sistemi di pesatura e dosaggio in funzione delle esigenze operative.
Tra le soluzioni disponibili rientrano le tramogge primarie e le tramogge in linea, che possono integrare celle di carico e sistemi di controllo delle quantità.
Per informazioni sulle configurazioni disponibili e sulle possibilità di integrazione, contatta Poggi.
Domande frequenti sulle celle di carico
Le celle di carico misurano il peso o la massa?
Le celle di carico rilevano una forza. Nei sistemi di pesatura, l’elettronica utilizza il segnale per determinare e visualizzare un valore di massa, dopo la corretta calibrazione.
Quali sono le celle di carico più utilizzate?
Tra le tipologie più diffuse nella pesatura industriale rientrano le celle estensimetriche a compressione, trazione, flessione e taglio. La scelta dipende dalla geometria della struttura, dalla direzione del carico e dalla portata richiesta.
Come si calcola la portata di una cella di carico?
La portata nominale deve essere scelta considerando il carico massimo previsto, la massa della struttura, la distribuzione delle forze, il numero dei supporti e gli eventuali sovraccarichi. Il dimensionamento richiede una valutazione tecnica dell’intero sistema.
Quante celle di carico servono per un silo?
Il numero dipende dalla configurazione strutturale e dai punti di sostegno del silo. Non esiste un numero universale: i sensori e i relativi moduli di montaggio devono essere definiti durante la progettazione.
Le celle di carico possono essere utilizzate per dosare le polveri?
Sì. Integrate con sistemi di estrazione e controllo, possono consentire il dosaggio gravimetrico di polveri e altri materiali sfusi, attraverso la misurazione delle quantità prelevate.
Quali fattori possono alterare la precisione di una cella di carico?
Tra i principali fattori rientrano temperatura, vibrazioni, carichi laterali, distribuzione non corretta delle forze, collegamenti meccanici inadeguati e problemi di calibrazione.
