Durante la misurazione della forza con celle di carico, il sensore di forza viene posizionato preferibilmente in modo tale che l’intera forza attaversi il sensore e che il sensore di forza si trovi direttamente nel flusso della forza. Risultano qui importanti un’applicazione centrica delle forze e una superficie di appoggio sufficientemente rigida.
Come funziona un celle di carico?
La grandezza meccanica rispetto al segnale elettrico viene elaborata in tre fasi nei celle di carico basati su estensimetro. Punto di partenza di ciascun celle di carico con estensimetri è un corpo a molla su cui si sviluppano allungamenti sulla superficie del materiale dovuti a sollecitazioni esterne.
Gli estensimetri applicati sulla superficie del corpo a molla rilevano tale allungamento. Essi trasformano quindi l’allungamento meccanico in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. Tramite questa variazione in resistenza generano una variazione di tensione proporzionale alla forza. La configurazione intelligente dei singoli estensimetri in un ponte di Wheatstone consente di evidenziare anche allungamenti minimi.
I vantaggi decisivi dei celle di carico basati su estensimetro:
Estensimetri in qualità di tecnologia comprovata e vantaggiosa in termini di costo per celle di carico
Elevata precisione ed eccezionali caratteristiche di isteresi e linearità
Eccezionale compensazione termica grazie alla configurazione degli estensimetri con il circuito a ponte di Wheatstone
Possibilità di misurazione dei carichi statici e dinamici
Elevata resistenza al carico continuo grazie alla scelta di materiali idonei del corpo sensore ed elevato limite di fatica degli estensimetri
Eccezionale stabilità a lungo termine
Corpo a molla - Mechanical converter
Punto di partenza di ciascun celle di carico è il corpo a molla che viene deformato applicando una forza. Fattore decisivo è che la deformazione sia puramente elastica, ovvero la deformazione avviene entro un limite di elasticità e il corpo a molla ritorna alla sua forma originaria dopo il carico a vuoto.
Materiali dei celle di carico
I celle di carico Baumer sono generalmente costruiti in acciaio inox (1.4542) con un’elevata resistenza. Per applicazioni speciali sono disponibili anche celle di carico in acciaio da bonifica, alluminio o altre leghe metalliche.
Concezione e limite di fatica La sfida del design e della concezione del corpo a molla risiede nel conflitto tra una struttura possibilmente flessibile per una buona prestazione di misurazione e una condizione limitante del materiale. Le complesse simulazioni FEM supportate dal computer consentono di concepire il corpo a molla su allungamenti possibilmente elevati entro il limite di elasticità. L’obiettivo consiste nella creazione di una zona possibilmente omogenea su cui poter applicare l’estensimetro. L’analisi successiva della resistenza secondo la direttiva FKM riconosciuta consente di garantire il limite di fatica del celle di carico. In questo modo, i celle di caricoa di Baumer possono essere sollecitati dinamicamente fino alla forza nominale anche nel funzionamento continuo per oltre 1 milione di cicli di carico.
Modelli I celle di carico Baumer sono generalmente realizzati come corpo a molla a membrana. Un vantaggio decisivo sono le dimensioni estremamente ridotte e la costruzione vantaggiosa in termini di costo. Inoltre, i rilevatori di forza a membrana possono essere generalmente ermetizzati in modo eccellente e quindi essere impiegati anche in ambienti gravosi. Ulteriori modelli possibili sono, ad esempio, il corpo a molla a S, quello cilindrico o barra di flessione.
DMS - Mechanoelectrical converter
Gli estensimetri sono il nucleo dei celle di carico e di deformazione Baumer e vengono utilizzati per rilevare le deformazioni sulla superficie del materiale. Consistono di solito in un foglio di supporto (poliimmide), una griglia di misurazione a serpentina in constantana e uno strato di copertura. Essi trasformano quindi l’allungamento meccanico in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. La variazione in resistenza degli estensimetri avviene in modo proporzionale e viene definita fattore k.
Modelli
Gli estensimetri metallici per la costruzione di rilevatori sono disponibili in diversi modelli. Oltre ai tipici estensimetri lineare, sono modelli tipici anche le rosette estensimetriche a T, le rosette estensimetriche e gli estensimetri di taglio:
Circuito a ponte di Wheatstone Il circuito a ponte di Wheatstone è un circuito speciale di resistente elettriche con cui è possibile eseguire una misurazione accurata delle variazioni in resistenza. Nel circuito a ponte completo utilizzato nella sensoristica vengono configurati sempre quattro estensimetri in successione secondo un determinato ordine. Il circuito a ponte è costituito da due partitori di tensione collegati in parallelo alimentati con una fonte di tensione comune con alimentazione ponte UB.
Il circuito a ponte di Wheatstone consente di rilevare in modo accurato le minime variazioni in resistenza. Le variazioni delle singole resistenze implicano uno squilibrio del ponte UA che può essere misurato facilmente. Il segnale di misura del ponte si comporta in modo raziometrico ed è proporzionale alla tensione di alimentazione. Il segnale di misura tipico dei celle di carico con estensimetro rientra nell’intervallo 0,4…3,0 mV/V.
Comportamento termico
Le variazioni termiche durante la misurazione sono una sfida per i celle di carico basati su estensimetro. Una variazione termica di 10 °C genera già in 100 millimetri di acciaio una variazione assoluta della lunghezza di 0,012 mm. Scegliendo un estensimetro idoneo, con il coefficiente di dilatazione corrispondente e una configurazione intelligente dell’estensimetro in base al circuito a ponte di Wheatstone, sarà possibile compensare completamente gli allungamenti indotti dalle variazioni termiche.
Amplificatore a ponte - Electrical Converter
L’amplificatore a ponte alimenta il ponte di Wheatstone con una tensione di alimentazione stabile. Il segnale di uscita risultante del ponte viene amplificato e trasmesso in modo analogico (uscita in tensione/uscita in corrente) o tramite un’interfaccia digitale (CAN/ IO-Link). Gli amplificatori a ponte Baumer sono attualmente disponibili con un’uscita in tensione ± 10 VDC e un’uscita in corrente 4…20 mA.
Gli amplificatori a ponte consentono di tarare facilmente i celle di carico basati su estensimetro nell’applicazione e quindi di eliminare gli spostamenti dello zero durante il montaggio. Un ulteriore vantaggio delle misurazioni con gli amplificatori a ponte è l’ottimo comportamento acustico anche in applicazioni altamente dinamiche.
Principi fisici della misurazione della forza
Cos’è la forza e come si calcola? La forza F con l’unità Newton [N] è il prodotto della massa m in kg di un corpo e dall’accelerazione di gravità g in m/s2.
In questo modo, risulta una forza di 1.000 N con una massa di 100 kg. Per approssimazione semplice, nella pratica per l’accelerazione di gravità viene utilizzato g = 10 m/s2.
Cos’è l’allungamento e come si calcola? Non appena un corpo viene alimentato con una forza, subisce una compressione con una forza di pressione e un allungamento con una forza di trazione. Questa variazione relativa della lunghezza viene descritta come allungamento ε in [µm/m] ed è definita come il rapporto di una variazione assoluta della lunghezza Δ l rispetto a una lunghezza totale l0.
Modulo E
L’allungamento effettivo di un componente, oltre alla geometria e alla forza, dipende anche sempre dal suo materiale. Il valore caratteristico decisivo è il modulo E (modulo di elasticità). Descrive il rapporto proporzionale tra tensione ed allungamento durante la deformazione di un corpo solido nel tratto elastico lineare. Vige che più rigido è un materiali, maggiore sarà anche il suo modulo E. Il modulo E per l’acciaio inox utilizzato comunemente nella costruzione di rilevatori corrisponde a E = 200.000 N/mm2 e per l’alluminio a 70.000 N/mm2.
Dalla forza all’allungamento Come già descritto, ogni componente caricato con una forza F è soggetto contemporaneamente anche a un determinato allungamento ε. Tale allungamento dipende sempre dal modulo E del materiale E, dalla sezione A del materiale e dalla forza. Questi tre parametri consentono di calcolare l’allungamento come indicato di seguito:
La tensione corrispondente del componente σ si calcola come indicato di seguito:
Fattore k
Il fattore k descrive la sensibilità di un estensimetro. Si tratta del rapporto lineare tra la variazione in resistenza relativa e l’allungamento di un materiale.
I fattori k tipici per estensimetri corrispondono a 2,05 nelle griglie di misurazione in constantana.
Equazione del ponte di Wheatstone L’allungamento e il fattore k consentono successivamente di calcolare il segnale di misura prevedibile con un’equazione del ponte di Wheatstone. Con una barra di flessione tipica, il segnale di misura si calcola come indicato di seguito:
Tenere presente che due estensimetri rispondono alla trazione e due alla pressione. Idealmente il valore degli allungamenti è identico in tutti i punti di misura.
Limitazione per la misurazione del peso
Project manager o sviluppatori vengono costantemente incaricati dell’esecuzione di misurazioni del peso su macchine edili o simili. Fisicamente parlando, non esistono differenze sostanziali tra celle di carico e celle di carico. La differenza con le celle di carico tarate consiste solamente della calibratura dei sensori. Rispetto alle celle di carico, i celle di caricovengono sempre tarati su una forza nominale definita N all posto di un peso definito in kg. I sensori Baumer vengono tarati come celle di carico ed impiegati per la misurazione della forza.
Norme dei celle di carico
Le grandezze caratteristiche dei celle di carico vengono definite nella direttiva VDI 2638. Le definizioni della direttiva consentono di creare un regime linguistico uniforme per i celle di carico che permetta il confronto dei dati tecnici. Ulteriori informazioni sulle singole grandezze caratteristiche sono riportate nel nostro glossario per la misurazione della forza.
