Celle di carico : cosa sono e come funzionano

Parlando di sistemi di pesatura si fa spesso riferimento alle celle di carico. Ma cosa sono esattamente questi dispositivi e perché sono così importanti nelle bilance?

Una cella di carico è un trasduttore, ossia un componente elettronico che misura la forza applicata su un oggetto grazie ad un segnale elettrico che varia al variare della deformazione che la forza in questione produce sul componente stesso.

Le celle di carico sono dispositivi molto versatili e utilizzati nella pesatura industriale grazie alla loro precisione e praticità. La cella di carico, infatti, rilascia un segnale proporzionale alla forza misurata che viene poi tradotto in un valore numerico.

Prima che le celle di carico diventassero così ampiamente diffuse, anche per le applicazioni di pesatura industriale venivano utilizzate le bilance a leva meccaniche.

Già nel 1843, però, il fisico inglese Sir Charles Wheatstone mise a punto un circuito a ponte in grado di misurare le variazioni di resistenza elettrica che si verificano negli estensimetri. Questa invenzione è alla base del funzionamento delle celle di carico elettroniche che rilevano la deformazione meccanica di un oggetto e la leggono in Volt trasformandola poi nella corretta unità di misura.

Le celle di carico elettroniche sono per lo più costituite da un corpo metallico in acciaio o alluminio a cui vengono applicati uno o più estensimetri leggono la deformazione meccanica del materiale (di compressione o trazione) tramite la variazione di resistenza elettrica che tale deformazione causa sul loro circuito elettrico. Di solito gli estensimetri sono, appunto, collegati tra loro tramite la configurazione a ponte di Wheatstone per amplificarne il segnale.

Il primo misuratore di deformazione a resistenza a filo è stato sviluppato nel 1940 ma ci sono voluti anni affinché la moderna elettronica comprendesse che si trattava di una tecnologia economicamente sostenibile. Da allora gli estensimetri sono diventati i componenti di bilance meccaniche ma anche di celle di carico indipendenti.

Fino ad arrivare ad oggi con le celle di carico estensimetriche che dominano il settore della pesatura, quindi utilizzate in molteplici settori.

Anche laddove si utilizzano pese meccaniche, come quelle a piattaforma per i camion, spesso le forze trasmesse dalle leve meccaniche vengono rilevate proprio da celle di carico elettriche che, grazie alla loro alta compatibilità con gli strumenti digitali, sono in grado di restituire informazioni accurate in tempi piuttosto brevi. 

Quante tipologie di celle di carico esistono?

Le celle di carico sono dispositivi che, per loro natura, si adattano a una molteplicità di utilizzi. Celle di carico con caratteristiche diverse sono disegnate per rispondere alle esigenze di applicazioni diverse.

Questi strumenti possono essere classificati in base a diverse qualità, una di queste è la loro capacità di carico.

• Esistono, dunque, celle di carico a bassa capacità che vanno da un minimo di 25 grammi a un massimo di 70 chili. Queste celle di carico sono ideali per essere utilizzate quando è necessaria un elevata accuratezza , come ad esempio nel caso delle bilance da laboratorio oppure nelle bilance contapezzi.
• Le celle di carico a media capacità, invece, possono misurare dai 90 chilogrammi alle 9 tonnellate circa e sono particolarmente affidabili e, quindi, utilizzate per le bilance da pavimento industriali, le bilance per la pesatura degli automezzi , le bilance a piattaforma, posizionate sotto dei silos ecc.
• In ultimo abbiamo le celle di carico ad alta capacità che arrivano alle 400 tonnellate e vengono utilizzate nell’industria pesante e per le bilance che misurano i grossi carichi come ad esempio una pesa a ponte per automezzi.

I principali tipi di celle di carico

Le celle di carico digitali sono l’evoluzione, in termini di tecnologia, delle classiche celle di carico analogiche e rappresentano, attualmente, i dispositivi più diffusi sul mercato. 

Rispetto alle celle di carico meccaniche, quelle digitali sono caratterizzate da un segnale più forte. Il segnale, infatti, si origina comunque come un voltaggio elettrico analogico, ma poi viene automaticamente convertito in digitale: in genere utilizza dai due ai sei volt di energia, decisamente più potente rispetto a quello analogico.

Le celle di carico digitali, inoltre, hanno una maggiore velocità di lettura del segnale. Questo tipo di celle di carico, infatti, può registrare accuratamente centinaia di misurazioni da centinaia di singole celle molteplici volte al secondo. Questa caratteristica le rende adatte a essere utilizzate nelle applicazioni che richiedono maggiore precisione.

Vediamo quindi i vari tipi partendo dalle versioni più utilizzate per realizzare una bilancia a piattaforma, le celle di carico denominate single point o off-center largamente diffuse e presenti in qualsiasi tipo di bilancia con piattaforma di pesata fino a 300 kg.

Le celle di carico a compressione sono molto frequentemente utilizzate nella pesatura industriale grazie alla loro semplicità di installazione.

Questi dispositivi, però, hanno un punto debole che è la loro estrema sensibilità ai carichi laterali: ciò li rende utilizzabili solo in condizioni di perfetta staticità e perpendicolarità nell’applicazione del carico.

Per esempio, le celle di carico a compressione sono utilizzate per la pesatura dei silos, serbatoi, tramogge, mescolatori anche di dimensioni considerevoli.

Negli anni, le celle di carico a compressione sono state superate dalle celle di carico a taglio e doppio taglio.

Le celle di carico a taglio sono state studiate per superare il problema dei carichi laterali che compromettono la precisione della pesata nel caso delle celle di carico a compressione. Questa tipologia di celle di carico, infatti, è insensibile sia ai carichi laterali che alle vibrazioni e consente minimi spostamenti di carico per eventuali compensazioni. Questo le rende particolarmente adatte per esempio ad essere applicate nelle miscelazioni, sotto rulliere, nastri trasportatori.

Le celle di carico a doppio taglio sono particolarmente precise ma anche robuste, ciò le rende adatte ad essere utilizzate nell’industria in presenza di grossi carichi, tipicamente per pesare camion ed autoveicoli di grandi dimensioni. Anche in circostanze estreme, infatti, le celle di carico a doppio taglio riescono a garantire alte performance. 

Le celle di carico a flessione sono anche dette a soffietto e hanno un intervallo di pesatura che va da 5 a 2500 chilogrammi circa. Questi dispositivi sono utilizzati per lo più in applicazioni monocella ma possono anche essere usate in gruppi di tre o quattro per sistemi di pesatura più evoluti. Le celle di carico a flessione sono adatte per piccoli carichi in impieghi che richiedano pesature ad alta precisione, ad esempio piccoli serbatoi, tramogge, nastri, sistemi di riempimento, insaccatrici, piattaforme e carichi sospesi. Gli impieghi di queste celle di carico così versatili e performanti sono molteplici.

Nei casi in cui i carichi da pesare non possano essere poggiati ma debbano venire sospesi, in particolar modo, dunque, in certe tipologie di industrie o cantieri, si rivela molto utili le celle di carico a trazione.

Si tratta di celle di carico che misurano le forze tendenti. Disponibili in varie dimensioni, questi dispositivi sono impiegati, ad esempio, nei dinamometri per carroponte e in qualsiasi altra applicazione in cui un oggetto da pesare sia appeso ad un gancio. Questa tipologia di celle di carico consente la pesatura anche di decine di tonnellate. Le celle di carico a trazione sono disponibili in varie dimensioni e tipologie e si applicano nelle bilance a gancio e in tutti quei casi in cui un corpo da pesare possa essere appeso ad un supporto.

Un’applicazione simile a quella delle celle di carico a trazione ce l’hanno le celle di carico a perno che, poste su carri ponte o argani, riescono a rilevare il peso in tutte quelle situazioni i cui non esiste un appoggio ma è necessario misurare la forza di sollevamento su carrucole, capofisso ecc. 

Altre tipologie sono le celle di carico a colonna, con una capacità fino a 250 tonnellate, adatte in particolare alle bilance a tramoggia o per una pesa a ponte.

 e le celle di carico a bottone e rondella, con un intervallo di pesatura tra gli 0 e i 100 chilogrammi, particolarmente utilizzate in piccoli sistemi per pesare.

Una particolare tipologia di celle di carico è rappresentata dalle celle idrauliche che utilizzano un meccanismo formato da un pistone a cilindro immerso in un liquido che, muovendosi in base al carico da pesare, produce un cambiamento di pressione che viene registrato da un apposito diaframma. L’incremento della pressione è direttamente proporzionale al peso del carico applicato al cilindro e viene trasmessa all’interno di un tubo Bourdon connesso alla cella di carico stessa.

Le celle di carico idrauliche sono abitualmente impiegate in ambienti ad alto rischio , come ad esempio nelle aree classificate ATEX a rischio di esplosione, grazie alla loro sicurezza garantita dal fatto che non comprendono parti elettriche o elettroniche. Le celle di carico pneumatiche, infatti, utilizzano una tecnologia simile ma la pressione viene esercitata su un gas.

Classe di precisione OIML delle celle di carico

Per ogni tipologia di cella di carico esiste un apposita classificazione OIML in base al grado di precisione. L'accuratezza quindi varia da applicazione ad applicazione ed i requisti di precisione / velocità sono diversi.

Quando valutate l'acquisto di una cella singola o volete comprendere di più circa il prezzo di una bilancia industriale, dovrete certamente fare riferimento alla classe di precisione classificata commercialmente secondo questa tabella :

• D1, C1 e C2 : bassa accuratezza, idonee ad esempio per pesatura del calcestruzzo
• C3, C3RM e C6 : alta accuratezza, idonee ad esempio per bilance di precisione, checkweighers, sistemi di pesatura OMOLOGATI CE-M, sistemi di miscelazione e dosaggio. 

Come funziona una cella di carico ?

In questo video potete vedere più da vicino cosa sono estensimetri e celle di carico e scoprirete come funzionano per misurare il peso.  

Dove vengono utilizzate le celle di carico

Esistono talmente tante tipologie e varietà di celle di carico che è praticamente impossibile elencarne tutti gli impieghi. In realtà quasi tutti i settori industriali e manifatturieri utilizzano, in diversi modi, la tecnologia delle celle di carico.

Questi dispositivi, infatti, sono stati progettati per adattarsi alle situazioni e alle condizioni più diverse mantenendo comunque un altissimo livello di precisione e di affidabilità nella pesatura. Per questo motivo le celle di carico vengono utilizzate non solo durante i processi di pesatura, ma anche durante tutte le operazioni di controllo e gestione dei processi.

Per quanto riguarda la vendita, le celle di carico possono essere acquistate singolarmente o già assemblate in kit di pesatura per essere montate più facilmente e subito utilizzate.  Ad esempio un Kit per pese a ponte comprende un indicatore digitale di peso, le celle di carico analogiche, un kit di montaggio e una scatola di equalizzazione.

Si tratta, dunque, di una tecnologia molto diffusa che garantisce alti standard nella produzione e di cui i diversi settori industriali difficilmente riuscirebbero a fare a meno.

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