Come funzionano le celle di carico: la scienza dietro la precisione delle pese a ponte

Come funziona una cella di carico: la risposta breve

Una cella di carico converte la forza meccanica, ovvero il peso, in un segnale elettrico. All'interno di ogni cella di carico è presente un elemento metallico che si deforma leggermente sotto carico. Legati a quell'elemento ci sono gli estensimetri: sottili lamine resistive la cui resistenza elettrica cambia mentre si allungano o si comprimono. Tale variazione di resistenza produce un'uscita di tensione misurabile proporzionale alla forza applicata. Nell'a pesa a ponte , più celle di carico sono posizionate sotto il ponte e i loro segnali elettrici combinati vengono elaborati da un indicatore o da una scatola di giunzione per visualizzare una lettura del peso.

Questo è il meccanismo fondamentale. Tutto il resto (tenuta ermetica, compensazione della temperatura, protezione da sovraccarico, uscita digitale) è un'ingegneria costruita attorno a questo principio fondamentale. Comprendere i dettagli è importante perché la selezione, l'installazione e la manutenzione delle celle di carico determinano direttamente la precisione e l'affidabilità delle prestazioni di una pesa a ponte nel corso degli anni di funzionamento.

L'estensimetro: il nucleo di ogni cella di carico

L'estensimetro è l'elemento sensibile che rende possibile la tecnologia delle celle di carico. È costituito da una sottile lamina metallica, in genere una lega di nichel-cromo, incollata con adesivo alla superficie di un corpo metallico elastico, solitamente acciaio legato di alta qualità o acciaio inossidabile. Quando il corpo metallico si deforma sotto il peso, anche la lamina si deforma. Ciò modifica la resistenza elettrica della lamina secondo una relazione descritta dal fattore di calibro (GF).

Il fattore di calibro per la maggior parte degli estensimetri metallici è approssimativamente 2.0 , il che significa che una deformazione dello 0,1% produce una variazione dello 0,2% nella resistenza. Per un estensimetro standard da 350 ohm, ciò si traduce in una variazione di resistenza di circa 0,7 ohm, un valore minuscolo che richiede un'attenta progettazione del circuito per misurare con precisione.

Il circuito del ponte di Wheatstone

Le celle di carico utilizzano quattro estensimetri disposti in una configurazione a ponte di Wheatstone. Due calibri sono posti in tensione (si allungano sotto carico) e due in compressione (si accorciano sotto carico). Questa disposizione offre diversi vantaggi critici:

• Il segnale in uscita è raddoppiato rispetto all'utilizzo di un singolo manometro, migliorando la sensibilità.
• Gli effetti della temperatura si annullano perché tutti e quattro i misuratori sperimentano lo stesso ambiente termico.
• Gli errori di non linearità vengono ridotti grazie alla disposizione opposta del calibro.
• Il ponte produce un'uscita zero a carico zero (un'uscita nulla), rendendo il segnale più facile da elaborare.

Una tensione di eccitazione standard di Da 5 a 15 volt CC viene applicato attraverso il ponte. Alla capacità nominale, il ponte produce in genere un'uscita a livello di millivolt 2 mV/V , il che significa che un'eccitazione di 10 V produce 20 mV a pieno carico. Questo segnale viene quindi amplificato ed elaborato.

Tipi di celle di carico utilizzate nelle pese a ponte

Non tutte le celle di carico condividono la stessa geometria. La forma interna dell'elemento elastico determina il modo in cui si deforma, il che influenza la precisione, l'intervallo di capacità e l'idoneità alle diverse configurazioni di pesa a ponte.

Celle di carico a compressione

Questi sono il tipo più comune che si trova nelle pese a ponte montate su fossa e in superficie. Sono progettati per sopportare il carico su un unico asse, verso il basso, e sono tipicamente cilindrici o a forma di frittella. Le celle di compressione utilizzate nelle pese per autocarri gestiscono capacità da Da 50 tonnellate a oltre 150 tonnellate per cella , con da sei a dodici celle che comunemente supportano un intero ponte di pesa. Sono robusti, semplici da installare e gestiscono abbastanza bene i carichi laterali se dotati di hardware di montaggio adeguato.

Celle di carico per trave a flessione

Le celle a trave in flessione funzionano secondo il principio della trave a sbalzo o a doppia estremità. Il carico viene applicato in uno o due punti lungo una trave fissata all'altra estremità, provocandone la flessione. Gli estensimetri posizionati nella posizione del momento flettente massimo catturano questa deformazione. Queste celle sono popolari nelle bilance a piattaforma a basso profilo e in alcuni modelli di pese a ponte portatili perché possono essere installate in un profilo del ponte molto poco profondo. Sono generalmente utilizzati per capacità inferiori 20 tonnellate per cella .

Celle di carico a taglio

Le celle a fascio di taglio misurano lo stress di taglio anziché la flessione o la compressione diretta. Gli estensimetri sono orientati a 45 gradi rispetto all'asse della trave per catturare la massima deformazione di taglio. Questo design è altamente insensibile al punto di applicazione del carico: un vantaggio significativo nelle applicazioni di pesa a ponte in cui il carico sull'asse di un veicolo potrebbe non raggiungere una posizione esatta. Le travi di taglio offrono un'eccellente precisione, generalmente raggiunta Classe OIML C3 o superiore , e sono ampiamente utilizzati sia nelle pesatrici per assi portatili che nelle installazioni di pese a ponte permanenti.

Celle di carico a punto singolo

Le celle a punto singolo sono progettate per fornire letture accurate indipendentemente da dove è posizionato il carico su una piattaforma, entro certi limiti. Sono utilizzati principalmente nelle bilance a piattaforma più piccole e raramente si trovano nelle pese a ponte per camion di dimensioni standard. Tuttavia, compaiono in alcune pesatrici per assali utilizzate per rapidi controlli stradali.

Dal segnale grezzo alla lettura del peso: il percorso del segnale in una pesa a ponte

Capire come funziona una cella di carico isolatamente è solo una parte del quadro. In un'installazione di pesa a ponte, più celle di carico lavorano insieme e i loro segnali attraversano diverse fasi di elaborazione prima che un valore di peso venga visualizzato sul display.

Passaggio 1: output della singola cella

Ciascuna cella di carico sotto la pesa a ponte produce un segnale a livello di millivolt proporzionale alla forza che sta trasportando. Poiché il carico di un veicolo non è mai perfettamente centrato, le singole celle hanno quote disuguali. Un camion da 60 tonnellate parcheggiato in modo asimmetrico potrebbe imporre 12 tonnellate su una cella d’angolo e 8 tonnellate su un’altra.

Passaggio 2: scatola di giunzione e somma dei segnali

Tutti i cavi delle singole celle corrono verso una scatola di giunzione (chiamata anche scatola sommatrice). All'interno, i segnali vengono combinati: passivamente attraverso reti di somma resistive o attivamente attraverso l'amplificazione. Le scatole di giunzione sommatrici passive utilizzano resistori di regolazione per regolare le differenze nella sensibilità delle celle, garantendo che un carico di 1 tonnellata su ogni singola cella produca un contributo identico all'uscita sommata. Questa fase di calibrazione è fondamentale: senza di essa, la posizione del carico sulla pesa a ponte influenzerebbe la lettura finale.

Passaggio 3: amplificazione e conversione da analogico a digitale

Il segnale in millivolt sommato, ancora molto piccolo, viaggia verso l'indicatore di peso. All'interno, un amplificatore per strumentazione di precisione amplifica il segnale, generalmente in un intervallo compreso tra 0 e 10 volt. Un convertitore analogico-digitale (ADC) campiona quindi il segnale amplificato. Utilizzo dei moderni indicatori di pesa a ponte ADC a 24 bit , che forniscono oltre 16 milioni di passaggi discreti nell'intervallo di misurazione. Questa risoluzione è molto più precisa dell'incremento del display richiesto dalla legge, fornendo una lettura stabile e resistente al rumore.

Passaggio 4: filtraggio e visualizzazione digitale

I dati ADC grezzi sono rumorosi. Il carico del vento, le vibrazioni del veicolo e le interferenze elettriche causano rapide fluttuazioni. Il microprocessore dell'indicatore applica algoritmi di filtraggio digitale, spesso media configurabile o filtri basati sulla frequenza, per estrarre un valore di peso stabile. Il valore finale visualizzato viene arrotondato all'intervallo di scala approvato, che normalmente è quello delle pese a ponte omologate per il commercio 20 chilogrammi per una bilancia da 60 tonnellate.

Principali specifiche delle celle di carico e loro significato per le prestazioni della pesa a ponte

Quando si selezionano le celle di carico per una pesa a ponte, i numeri della scheda tecnica predicono direttamente la qualità della misurazione. Ecco cosa significa effettivamente ciascuna specifica nella pratica.

Capacità nominale (Emax)

Il carico massimo che la cella è progettata per misurare con precisione. Per ragioni di sicurezza, le celle di carico sono anche classificate per un sovraccarico sicuro, in genere 150% della capacità nominale - e un sovraccarico finale prima del danno permanente, di solito 300% . Una pesa a ponte che movimenta un peso lordo di veicoli di 60 tonnellate supportato da sei celle necessita di celle classificate per almeno 15 tonnellate ciascuna quando si tiene conto della distribuzione del carico, oltre a un margine di sovraccarico sufficiente per il carico dinamico durante l'ingresso del veicolo.

Classe di precisione (nmax)

L'OIML (Organizzazione Internazionale di Metrologia Legale) classifica le celle di carico dalla Classe A (precisione massima) alla Classe D (precisione più bassa). Le celle di carico per pese a ponte sono tipicamente Classe C3 o C4 , dove il numero indica il numero massimo di intervalli di verifica: rispettivamente 3.000 o 4.000. Una cella di carico C3 utilizzata in una pesa a ponte da 60 tonnellate può supportare un incremento di visualizzazione di 60.000 kg ÷ 3.000 = 20 kg, in linea con i requisiti standard della pesa a ponte.

Errore combinato

Questa specifica combina gli errori di non linearità e di isteresi in un unico valore, solitamente espresso come percentuale della potenza nominale. Per una cella di carico C3, l'errore combinato è tipicamente ±0,023% della potenza nominale o migliore . Su una cella con capacità di 20 tonnellate che produce 2 mV/V a pieno carico, ciò corrisponde a un errore inferiore a 0,9 microvolt, un valore straordinariamente piccolo che richiede attente pratiche di schermatura e cablaggio per essere preservato attraverso la catena del segnale.

Coefficienti di temperatura

Le celle di carico utilizzate nelle installazioni di pese a ponte all'aperto sono esposte a notevoli sbalzi di temperatura. Sono importanti due coefficienti di temperatura:

• TK Zero : La variazione della potenza zero per grado di variazione della temperatura, generalmente specificata come inferiore allo 0,02% della potenza nominale per 10°C.
• TK Span : La variazione della sensibilità per grado, in genere inferiore allo 0,008% per 10°C per celle di carico di qualità.

In una pesa a ponte esterna che funziona da -10°C a 50°C (un intervallo di 60 gradi) una cella con TK Span di 0,008%/10°C subirebbe uno spostamento dello span di 0,048% . Su una scala di 60 tonnellate, si tratta di una deriva di 29 kg attribuibile solo alla temperatura. Questo è il motivo per cui la calibrazione della pesa a ponte viene sempre eseguita alla temperatura di esercizio e perché la legge richiede una nuova verifica periodica.

Protezione dall'ingresso (classificazione IP)

Le celle di carico per pese a ponte sono installate in modo permanente all'aperto, spesso in ambienti soggetti ad allagamenti, fango e lavaggio a pressione. Il grado IP minimo accettabile per le celle di carico per pese a ponte è IP67 (resistente alla polvere e resistente all'immersione temporanea fino a 1 metro). Molte installazioni specificano IP68 o IP69K , quest'ultima classificazione consente getti d'acqua ad alta pressione e alta temperatura, rilevanti per i siti che puliscono regolarmente il ponte della pesa.

Celle di carico analogiche e digitali nei sistemi di pese a ponte

Le celle di carico tradizionali emettono un segnale analogico in millivolt. Negli ultimi due decenni, le celle di carico digitali, che integrano un ADC e un microprocessore direttamente all'interno del corpo della cella di carico, sono diventate sempre più comuni nelle installazioni di pese a ponte. La differenza è significativa in termini pratici.

Sistemi di celle di carico analogiche

Le celle analogiche sono più semplici, meno costose e compatibili praticamente con qualsiasi indicatore di peso presente sul mercato. I loro segnali in millivolt sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche (EMI) su cavi lunghi: una vera preoccupazione nei grandi siti industriali con macchinari pesanti. La massima lunghezza pratica del cavo prima che il degrado del segnale diventi problematico è approssimativamente 100-150 metri con cavo schermato standard.

Sistemi di celle di carico digitali

Le celle di carico digitali convertono il segnale dell'estensimetro in un valore digitale all'interno dell'alloggiamento della cella e trasmettono i dati tramite un bus seriale, in genere RS-485 o bus CAN. I principali vantaggi includono:

• Immunità alle EMI su cavi lunghi, con trasmissione affidabile 500 metri o più .
• Diagnostica della singola cella: l'indicatore può identificare quale cella specifica presenta un problema, anziché limitarsi a rilevare un guasto del sistema.
• Compensazione automatica della temperatura eseguita all'interno di ciascuna cella utilizzando il proprio sensore di temperatura.
• Regolazione e calibrazione semplificate tramite software anziché regolazione del resistore.

Il compromesso è il costo (le celle di carico digitali sono notevolmente più costose) e il vincolo del fornitore, poiché le celle di produttori diversi spesso utilizzano protocolli di comunicazione incompatibili.

Come vengono montate le celle di carico in una pesa a ponte

Il corretto montaggio è importante quanto la qualità delle celle. Una cella di carico perfettamente specificata e installata in modo errato fornirà letture imprecise e instabili. I sistemi di montaggio delle celle di carico per pese a ponte devono svolgere diverse attività contemporaneamente.

Trasmissione della forza verticale respingendo i carichi laterali

Le celle di carico sono progettate per misurare la forza su un asse. I carichi laterali, causati dalla frenata del veicolo, dall'espansione termica dell'impalcato o dal disallineamento dell'impalcato, introducono errori e accelerano la fatica. I gruppi di montaggio utilizzano perni bilancieri, pulsanti di carico o basi di celle di carico autoallineanti per garantire che le forze fuori asse vengano respinte meccanicamente. Un montaggio con perno oscillante consente alla cella di inclinarsi leggermente in qualsiasi direzione, trasferendo solo la componente verticale di qualsiasi forza applicata all'elemento sensibile.

Accomodamento della dilatazione termica

Una pesa a ponte in acciaio lunga 18 metri si espanderà di circa 10 mm tra le temperature invernali ed estive in un clima temperato (utilizzando un coefficiente di dilatazione termica di circa 11,7 × 10⁻⁶ /°C e un intervallo di temperatura di 50°C). L'hardware di montaggio deve consentire questo movimento senza legarsi. Le configurazioni di montaggio a estremità fissa e a estremità libera risolvono questo problema fissando l'impalcato a un'estremità e consentendo un movimento di scorrimento limitato all'altra, impedendo che l'espansione termica venga interpretata come una variazione del carico.

Prevenire il sollevamento

Alcuni modelli di montaggio delle celle di carico utilizzano bulloni di ancoraggio o fermagli di fissaggio per evitare che il piatto si sollevi dalle celle durante il caricamento decentrato. Senza il sistema di contenimento del sollevamento, un carico eccentrico vicino a un'estremità di una pesa a ponte potrebbe causare il sollevamento dell'estremità opposta, togliendo le celle dal carico e introducendo un errore significativo. I gruppi di aste di controllo che limitano il movimento verso l'alto del piatto a 2–3 mm sono una parte standard delle installazioni di pese a ponte di qualità.

Modalità comuni di guasto delle celle di carico nelle pese a ponte

Le celle di carico sono robuste ma non indistruttibili. Sapere come si guastano aiuta i team di manutenzione a identificare i problemi prima che causino errori di pesatura significativi o guasti completi del sistema.

Ingresso di umidità

Anche le celle con grado di protezione IP68 possono essere compromesse se i punti di ingresso dei cavi sono danneggiati, se i connettori dei cavi non sono adeguatamente sigillati o se il corpo della cella è fisicamente rotto. L'umidità che raggiunge gli estensimetri provoca la corrosione della lamina, cambiamenti nelle proprietà adesive e, infine, perdite elettriche tra i bracci del ponte. Il sintomo è tipicamente una deriva graduale nella lettura dello zero e una maggiore instabilità. Controllo della resistenza di isolamento tra i circuiti a ponte e il corpo della cella (dovrebbe superare 5.000 MΩ su una cellula sana) è un passaggio diagnostico standard.

Sovraccarico e affaticamento

Un singolo sovraccarico grave, causato da un veicolo che colpisce il ponte in velocità o da una gru che atterra inaspettatamente un carico pesante, può deformare plasticamente l'elemento elastico. Una volta deformato, il punto zero della cella si sposta in modo permanente e non può essere ricalibrato. La fatica si accumula nel corso di milioni di cicli di carico; è classificata la maggior parte delle celle di pesatura a ponte di qualità 10 milioni o più di cicli alla capacità nominale, ma il carico d’urto e il sovraccarico riducono drasticamente la durata a fatica.

Danni al cavo

I cavi delle celle di carico corrono in posizioni esposte sotto i ponti della pesa. Danni ai roditori, flessioni ripetute dovute al movimento del ponte e schiacciamento fisico dovuto ai detriti sono cause comuni di guasto del cavo. Una schermatura danneggiata o una rottura parziale in un conduttore di segnale introduce rumore, errori di offset o perdita completa del segnale. La protezione dei condotti dei cavi e l'ispezione visiva regolare sono semplici misure preventive che prolungano la durata del sistema.

Corrosione dell'hardware di montaggio

I corpi delle celle di carico in acciaio inossidabile sono resistenti alla corrosione, ma la bulloneria di montaggio circostante in acciaio dolce (basi delle celle di carico, aste di controllo, bulloni di montaggio) non lo è. L'hardware corroso può gripparsi, impedire i piccoli movimenti necessari durante l'espansione termica e introdurre forze laterali sulla cella di carico. Un programma annuale di ispezione e lubrificazione per l'hardware di montaggio è un requisito minimo di manutenzione.

Calibrazione: collegamento della fisica delle celle di carico all'accuratezza legale

L'uscita di una cella di carico in millivolt non ha senso finché non viene calibrata rispetto a pesi di riferimento noti. La calibrazione stabilisce la relazione matematica tra la potenza elettrica e il peso visualizzato e la ricalibrazione periodica conferma che la relazione non ha subito deviazioni.

Calibrazione del peso morto

Lo standard di riferimento per la calibrazione della pesa a ponte è caricare sul ponte pesi di prova certificati di massa nota, in genere Masse certificate classe M1 o F2 riconducibili agli standard nazionali. L'indicatore viene regolato in modo che la lettura visualizzata corrisponda al peso applicato in più punti nell'intero intervallo di misurazione. Per una pesa a ponte da 60 tonnellate, la calibrazione prevede generalmente carichi di prova allo 0, 20%, 50% e 100% della capacità massima.

Calibrazione del peso sostitutivo

Il trasporto e la movimentazione di pesi di prova sufficienti per una calibrazione a piena capacità sono costosi e impegnativi dal punto di vista logistico. I metodi di pesatura sostitutivi, che utilizzano un dispositivo di riferimento con cella di carico idraulica o un veicolo di peso verificato, consentono controlli di calibrazione a costi inferiori. Questi metodi sono accettati da molte autorità nazionali di pesi e misure per la verifica periodica tra tarature a peso morto complete, a condizione che la calibrazione iniziale sia stata eseguita con pesi morti.

Requisiti di verifica legale

Le pese a ponte utilizzate per il commercio (fatturazione ai clienti in base al peso, controllo della conformità dei veicoli o misurazioni fiscali) devono essere periodicamente verificate da un organismo di ispezione autorizzato. Nell'Unione Europea, la Direttiva sugli strumenti per pesare non automatici (NAWI) stabilisce gli errori massimi ammissibili (MPE) per le pese a ponte commerciali: ±0,5 intervalli di scala alla verifica iniziale e ±1 intervallo di scala in servizio. Gli intervalli di verifica variano in base alla giurisdizione, ma sono comuni da 1 a 2 anni .

Suggerimenti pratici per massimizzare la durata delle celle di carico nelle applicazioni per pese a ponte

Le celle di carico in una pesa a ponte ben mantenuta dovrebbero rimanere precise Da 10 a 20 anni . Raggiungere tale durata di servizio richiede un'attenzione costante ad alcune aree chiave.

• Applicare i limiti di velocità della rampa di avvicinamento. Un camion da 40 tonnellate che colpisce il bordo di un ponte a 20 km/h genera un fattore di impatto dinamico compreso tra 1,3 e 1,5 o più, applicando istantaneamente da 52 a 60 tonnellate. Le rampe di velocità o i segnali di velocità che limitano l'accesso a 5 km/h riducono drasticamente il carico dinamico.
• Mantieni la fossa asciutta. Installare pompe di raccolta con interruttori a galleggiante automatici nelle installazioni di pese a ponte a fossa. L'acqua stagnante accelera la corrosione dell'hardware di montaggio e aumenta il rischio di ingresso di umidità nei connettori dei cavi.
• Ispezionare i condotti dei cavi trimestralmente. Cerca eventuali schiacciamenti, crepe o spostamenti che espongano i cavi a danni meccanici. Sostituire le sezioni danneggiate prima che un guasto del cavo causi una pesatura imprecisa o un'interruzione completa del sistema.
• Registra regolarmente le letture degli angoli. La maggior parte degli indicatori di pesa a ponte moderni possono visualizzare le letture delle singole celle. Registrarli periodicamente crea una linea di base; una cella che inizia a spostarsi viene visualizzata come una lettura dell'angolo che cambia molto prima che la precisione complessiva della scala venga influenzata.
• Prevenire il sovraccarico in base alla progettazione. Configurare l'indicatore in modo che emetta un allarme quando un carico si avvicina alla capacità massima. Per una bilancia da 60 tonnellate, un allarme a 58 tonnellate dà agli operatori il tempo di interrompere il processo di carico prima che le celle vengano sollecitate oltre la loro capacità nominale.
• Ingrassare nuovamente l'hardware di montaggio ogni anno. Il composto antigrippaggio sulle superfici di montaggio della base della cella di carico e sulle filettature dell'asta di controllo previene l'adesione alla corrosione e garantisce che possano ancora verificarsi i piccoli movimenti necessari per una misurazione accurata.

In che modo la precisione della pesa a ponte viene influenzata dal conteggio e dal posizionamento delle celle di carico

Il numero e il posizionamento delle celle di carico sotto la pesa a ponte influiscono sia sulla precisione della misurazione che sulla ridondanza del sistema. Non esiste un unico standard universale: le configurazioni vengono scelte in base alla lunghezza del ponte, ai tipi di veicoli previsti e ai requisiti di precisione.

Solitamente viene utilizzata una pesa a ponte standard a piattaforma singola da 18 metri 6 celle di carico : due sotto ciascuna delle tre traverse principali. Ciò fornisce una buona distribuzione del carico e una ridondanza sufficiente: se una cella si guasta, il sistema è spesso in grado di rilevare il guasto attraverso una lettura dell'angolo sbilanciata anziché una catastrofica imprecisione. Alcune applicazioni di alta precisione utilizzano 8 celle sotto quattro traverse per una migliore copertura.

Le pese a ponte ad assi multipiano, in cui ciascun piano pesa separatamente i singoli gruppi di assi, richiedono set di celle separate sotto ciascun piano, con ciascun gruppo di celle elaborato in modo indipendente. Potrebbe essere utile una pesa a ponte a quattro assi Da 16 a 24 celle di carico in totale, ciascun gruppo è stato calibrato in modo indipendente per garantire che la somma delle letture dei singoli assi equivalga al peso totale del veicolo misurato quando il veicolo viene pesato nel suo insieme.

La simmetria del posizionamento delle cellule è importante. Le celle posizionate asimmetricamente creano una mappa di sensibilità irregolare sulla superficie del ponte: i carichi vicino a un gruppo di celle vengono registrati in modo più accurato rispetto ai carichi posizionati a metà strada tra le celle. La pratica di un'installazione di qualità prevede il controllo della sensibilità degli angoli di un'installazione completata utilizzando una massa di riferimento posizionata su ciascun angolo e il confronto delle letture. Si vede un'installazione ben bilanciata variazione inferiore a ±0,1%. attraverso le posizioni d'angolo.