Célula de carga - Load cell

Uma  célula de carga é um transdutor de força . Ele converte uma força como tensão, compressão, pressão ou torque em um sinal elétrico que pode ser medido e padronizado. Conforme a força aplicada à célula de carga aumenta, o sinal elétrico muda proporcionalmente. Os tipos mais comuns de célula de carga usados ​​são medidores de tensão, pneumáticos e hidráulicos.

Célula de carga de extensômetro

As células de carga extensômetro são o tipo mais freqüentemente encontrado em ambientes industriais. É ideal porque é altamente preciso, versátil e de baixo custo. Estruturalmente, uma célula de carga tem um corpo de metal ao qual os medidores de tensão foram fixados. O corpo é geralmente feito de alumínio, aço de liga ou aço inoxidável, o que o torna muito resistente, mas também minimamente elástico. Essa elasticidade dá origem ao termo "elemento mola", referindo-se ao corpo da célula de carga. Quando a força é exercida sobre a célula de carga, o elemento de mola é ligeiramente deformado e, a menos que esteja sobrecarregado, sempre retorna à sua forma original. Conforme o elemento de mola se deforma, os medidores de tensão também mudam de forma. A alteração resultante na resistência nos medidores de tensão pode ser medida como tensão. A mudança na tensão é proporcional à quantidade de força aplicada à célula, portanto, a quantidade de força pode ser calculada a partir da saída da célula de carga.

Medidores de tensão

Um medidor de tensão é feito de arame muito fino, ou folha, configurado em um padrão de grade e preso a um suporte flexível. Quando o formato do extensômetro é alterado, ocorre uma mudança em sua resistência elétrica. O fio ou folha no medidor de tensão é organizado de forma que, quando a força é aplicada em uma direção, resulta em uma mudança linear na resistência. A força de tensão estica um medidor de tensão, fazendo com que fique mais fino e mais comprido, resultando em um aumento na resistência. A força de compressão faz o oposto. O medidor de tensão se comprime, fica mais espesso e curto e a resistência diminui. O medidor de tensão é preso a um suporte flexível, permitindo que seja facilmente aplicado a uma célula de carga, refletindo as mudanças mínimas a serem medidas.

Como a mudança na resistência medida por um único extensômetro é extremamente pequena, é difícil medir as mudanças com precisão. Aumentar o número de medidores de tensão aplicados coletivamente amplia essas pequenas mudanças em algo mais mensurável. Um conjunto de 4 medidores de tensão definidos em um circuito específico é uma aplicação de uma ponte de Wheatstone .

Ponte Wheatstone

Uma ponte de Wheatstone é uma configuração de quatro resistores balanceados com uma tensão de excitação conhecida aplicada conforme mostrado abaixo:

A tensão de excitação é uma constante conhecida e a tensão de saída é variável, dependendo da forma dos medidores de tensão. Se todos os resistores estiverem balanceados, o que significa que é zero. Se a resistência em pelo menos um dos resistores mudar, então também mudará. A mudança em pode ser medida e interpretada usando a lei de Ohm. A lei de Ohm afirma que a corrente ( medida em amperes) passando por um condutor entre dois pontos é diretamente proporcional à tensão entre os dois pontos. A resistência ( , medida em ohms) é introduzida como a constante nesta relação, independente da corrente. A lei de Ohm é expressa na equação . ${\ displaystyle V _ {\ text {EX}}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ displaystyle {\ frac {R1} {R2}} = {\ frac {R4} {R3}}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ displaystyle V_ {0}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ textstyle I}$${\ textstyle V}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle I = V / R}$

Quando aplicada às 4 pernas do circuito da ponte de Wheatstone, a equação resultante é:

${\ displaystyle V_ {o} = \ left ({\ frac {R3} {R3 + R4}} - {\ frac {R2} {R1 + R2}} \ right) V _ {\ text {EX}}}$

Em uma célula de carga, os resistores são substituídos por medidores de tensão e dispostos em formação alternada de tensão e compressão. Quando a força é exercida na célula de carga, a estrutura e a resistência dos medidores de tensão mudam e são medidas. A partir dos dados resultantes, pode ser facilmente determinado usando a equação acima. ${\ textstyle V_ {o}}$${\ textstyle V_ {o}}$

Tipos comuns de células de carga

Existem vários tipos de células de carga calibre de tensão:

• Células de carga de ponto único; usado em balanças de plataforma de pequeno a médio porte com tamanhos de plataforma de 200x200mm até 1200x1200 mm.
• Células de carga de feixe planar; usado em soluções de baixo perfil onde o espaço é limitado, como balanças médicas e balanças de varejo.
• Células de carga de feixe de dobra; usado em balanças de paletes, plataformas e pequenos funis.
• Células de carga Shear Beam; usado em escala de baixo perfil e aplicações de processo, disponível em capacidades de 100kg a 50t!
• Células de carga Dual Shear Beam; usado em balanças de caminhão, tanques e aplicações de funil.
• Células de carga do tipo S; usado em aplicações de tensão onde você encontrará cargas estáticas e dinâmicas.
• Células de carga de compressão; usado em balanças de caminhão, balanças de plataforma grande, pontes de pesagem e balanças de funil.
• Células de carga de torção em anel; usado em tremonhas de alta precisão, silos, plataformas e balanças de paletes.
• Células de carga do tipo raio; usado em aplicações de baixo perfil e alta precisão. Forças elevadas variando de 1t-500t.
• Células de carga a bordo; usado para sistemas de pesagem a bordo em caminhões, tratores e outros veículos.
• Loadpins; usado em aplicações de medição de forças dinâmicas, estáticas ou de içamento.
• Pesos; Pesadores portáteis para pesar carros e medir o centro de gravidade de aviões.
• Especiais; todos os tipos de sensores especiais.

Célula de carga pneumática

A célula de carga é projetada para regular automaticamente a pressão de equilíbrio. A pressão do ar é aplicada a uma extremidade do diafragma e escapa pelo bico colocado na parte inferior da célula de carga. Um medidor de pressão é anexado à célula de carga para medir a pressão dentro da célula. A deflexão do diafragma afeta o fluxo de ar através do bico, bem como a pressão dentro da câmara.

Célula de carga hidráulica

A célula de carga hidráulica usa um arranjo convencional de pistão e cilindro com o pistão colocado em um diafragma elástico fino. O pistão realmente não entra em contato com a célula de carga. Batentes mecânicos são colocados para evitar o excesso de tensão do diafragma quando as cargas excedem certo limite. A célula de carga está completamente cheia de óleo. Quando a carga é aplicada no pistão, o movimento do pistão e do diafragma resulta em um aumento da pressão do óleo. Essa pressão é então transmitida a um manômetro hidráulico por meio de uma mangueira de alta pressão. O tubo Bourdon do medidor detecta a pressão e a registra no mostrador. Como esse sensor não possui componentes elétricos, ele é ideal para uso em áreas perigosas. As aplicações típicas de células de carga hidráulica incluem pesagem de tanque, silo e tremonha. Por exemplo, uma célula de carga hidráulica é imune a tensões transitórias (raios), então esse tipo de célula de carga pode ser um dispositivo mais eficaz em ambientes externos. Essa tecnologia é mais cara do que outros tipos de células de carga. É uma tecnologia mais cara e, portanto, não pode competir efetivamente com base no custo de compra.

Outros tipos

Célula de carga vibratória

Células de carga de arame vibratório , que são úteis em aplicações geomecânicas devido à baixa quantidade de deriva , e células de carga capacitivas onde a capacitância de um capacitor muda conforme a carga pressiona as duas placas de um capacitor mais próximas.

Célula de carga piezoelétrica

As células de carga piezoelétricas funcionam com o mesmo princípio de deformação que as células de carga do extensômetro, mas uma saída de tensão é gerada pelo material piezoelétrico básico - proporcional à deformação da célula de carga. Útil para medições dinâmicas / frequentes de força. A maioria das aplicações de células de carga baseadas em piezo está em condições de carregamento dinâmico, onde as células de carga de calibre de tensão podem falhar com ciclos de carregamento dinâmico elevados. O efeito piezoelétrico é dinâmico, ou seja, a saída elétrica de um medidor é uma função de impulso e não é estática. A saída de tensão só é útil quando a deformação está mudando e não mede valores estáticos.

No entanto, dependendo do sistema de condicionamento usado, uma operação "quase estática" pode ser realizada. O uso de um amplificador de carga com uma constante de tempo longa permite medições precisas que duram muitos minutos para cargas pequenas até muitas horas para cargas grandes. Outra vantagem das células de carga piezoelétricas condicionadas com um amplificador de carga é a ampla faixa de medição que pode ser alcançada. Os usuários podem escolher uma célula de carga com um intervalo de centenas de kilonewtons e usá-la para medir alguns newtons de força com a mesma relação sinal-ruído; novamente, isso só é possível com o uso de um amplificador de carga para condicionamento.

Problemas comuns

• Montagem mecânica: as células devem ser montadas corretamente. Toda a força de carga tem que passar pela parte da célula de carga onde sua deformação é detectada. O atrito pode induzir deslocamento ou histerese . A montagem incorreta pode resultar nas forças de relatório da célula ao longo de eixos indesejados, que ainda podem se correlacionar de alguma forma com a carga detectada, confundindo o técnico.
• Sobrecarga: dentro de sua classificação, a célula de carga se deforma elasticamente e retorna à sua forma após ser descarregada. Se submetido a cargas acima de sua classificação máxima, o material da célula de carga pode se deformar plasticamente ; isso pode resultar em um desvio do sinal, perda de linearidade, dificuldade ou impossibilidade de calibração ou até mesmo dano mecânico ao elemento sensor (por exemplo, delaminação, ruptura).
• Problemas de fiação: os fios para a célula podem desenvolver alta resistência, por exemplo, devido à corrosão. Alternativamente, caminhos de corrente paralelos podem ser formados pela entrada de umidade. Em ambos os casos, o sinal desenvolve offset (a menos que todos os fios sejam afetados igualmente) e a precisão é perdida.
• Danos elétricos: as células de carga podem ser danificadas por corrente induzida ou conduzida. Relâmpagos atingindo a construção, ou soldagem a arco realizada perto das células, pode sobrecarregar os resistores finos dos medidores de tensão e causar seus danos ou destruição. Para soldagem próxima, sugere-se desconectar a célula de carga e colocar todos os seus pinos no solo, próximo à própria célula. Altas tensões podem romper o isolamento entre o substrato e os medidores de tensão.
• Não linearidade : na extremidade inferior de sua escala, as células de carga tendem a ser não lineares. Isso se torna importante para células que detectam faixas muito grandes ou com grande excesso de capacidade de carga para suportar sobrecargas temporárias ou choques (por exemplo, as braçadeiras de cabo). Mais pontos podem ser necessários para a curva de calibração.
• Particularidade de aplicação: uma célula de carga que não é adequada para a magnitude e tipo de pressão específicos terá baixa precisão, resolução e confiabilidade.

Excitação e saída nominal

A ponte é excitada com tensão estabilizada (geralmente 10 V, mas pode ser 20 V, 5 V ou menos para instrumentação alimentada por bateria). A diferença de tensão proporcional à carga aparece então nas saídas de sinal. A saída da célula é avaliada em milivolts por volt (mV / V) da diferença de tensão na carga mecânica nominal total. Portanto, uma célula de carga de 2,96 mV / V fornecerá um sinal de 29,6 milivolts em carga total quando excitada com 10 volts.

Os valores de sensibilidade típicos são de 1 a 3 mV / V. A tensão de excitação máxima típica é de cerca de 15 volts.

Fiação

As células de ponte completa vêm normalmente na configuração de quatro fios. Os fios para as extremidades superior e inferior da ponte são a excitação (freqüentemente rotulados de E + e E−, ou Ex + e Ex−), os fios para suas laterais são o sinal (rotulados de S + e S−). Idealmente, a diferença de tensão entre S + e S− é zero sob carga zero e cresce proporcionalmente à carga mecânica da célula de carga.

Às vezes, uma configuração de seis fios é usada. Os dois fios adicionais são "sensoriais" (Sen + e Sen−) e são conectados à ponte com os fios Ex + e Ex-, de maneira semelhante à detecção de quatro terminais . Com esses sinais adicionais, o controlador pode compensar a mudança na resistência do fio devido a fatores externos, por exemplo, flutuações de temperatura.

Os resistores individuais na ponte geralmente têm resistência de 350 Ω . Às vezes, outros valores (normalmente 120 Ω, 1.000 Ω) podem ser encontrados.

A ponte é normalmente isolada eletricamente do substrato. Os elementos sensores estão próximos e em bom contato térmico mútuo, para evitar sinais diferenciais causados ​​por diferenças de temperatura.

Usando várias células

Uma ou mais células de carga podem ser usadas para detectar uma única carga.

Se a força puder ser concentrada em um único ponto (detecção em pequena escala, cordas, cargas de tração, cargas pontuais), uma única célula pode ser usada. Para feixes longos, duas células no final são usadas. Cilindros verticais podem ser medidos em três pontos, objetos retangulares geralmente requerem quatro sensores. Mais sensores são usados ​​para grandes contêineres ou plataformas, ou cargas muito altas.

Se as cargas são garantidas como simétricas, algumas das células de carga podem ser substituídas por pivôs. Isso economiza o custo da célula de carga, mas pode diminuir significativamente a precisão.

As células de carga podem ser conectadas em paralelo; nesse caso, todos os sinais correspondentes são conectados juntos (Ex + a Ex +, S + a S +, ...), e o sinal resultante é a média dos sinais de todos os elementos sensores. Isso é frequentemente usado em, por exemplo, balanças pessoais ou outros sensores de peso multiponto.

A atribuição de cor mais comum é vermelho para Ex +, preto para Ex−, verde para S + e branco para S−.

Atribuições menos comuns são vermelho para Ex +, branco para Ex−, verde para S + e azul para S−, ou vermelho para Ex +, azul para Ex−, verde para S + e amarelo para S−. Outros valores também são possíveis, por exemplo, vermelho para Ex +, verde para Ex−, amarelo para S + e azul para S−.

Toque

Cada célula de carga está sujeita a "zumbidos" quando submetida a mudanças abruptas de carga. Isso decorre do comportamento de mola das células de carga. Para medir as cargas, eles têm que se deformar. Como tal, uma célula de carga de rigidez finita deve ter um comportamento semelhante ao de mola, exibindo vibrações em sua frequência natural . Um padrão de dados oscilante pode ser o resultado de um toque. O toque pode ser suprimido de forma limitada por meios passivos. Alternativamente, um sistema de controle pode usar um atuador para amortecer ativamente o toque de uma célula de carga. Este método oferece melhor desempenho a um custo de aumento significativo na complexidade.

Usos

As células de carga são usadas em vários tipos de instrumentos de medição, como balanças de laboratório, balanças industriais, balanças de plataforma e máquinas de teste universais . A partir de 1993, o British Antarctic Survey instalou células de carga em ninhos de fibra de vidro para pesar pintinhos de albatroz . As células de carga são usadas em uma ampla variedade de itens, como o agitador de sete colunas, que costuma ser usado para configurar carros de corrida.

Células de carga pesando desempenhos

As células de carga são comumente usadas para medir o peso em um ambiente industrial. Eles podem ser instalados em tremonhas, reatores, etc., para controlar sua capacidade de peso, que muitas vezes é de importância crítica para um processo industrial. Algumas características de desempenho das células de carga devem ser definidas e especificadas para garantir que lidarão com o serviço esperado. Entre essas características de design estão:

• Erro combinado
• Intervalo mínimo de verificação
• Resolução

Especificações da célula de carga

As especificações elétricas, físicas e ambientais de uma célula de carga ajudam a determinar para quais aplicações ela é apropriada. As especificações comuns incluem:

• Saída de escala completa (FSO): Saída eletrônica expressa em mV / V. Medido em escala real.
• Erro combinado: porcentagem da saída de fundo de escala que representa o desvio máximo da linha reta desenhada entre a ausência de carga e a carga na capacidade nominal. Freqüentemente medido durante a diminuição e o aumento de cargas.
• Não linearidade: O desvio máximo da curva de calibração de uma linha reta desenhada entre a capacidade nominal e a carga zero. Medido no aumento da carga e expresso como porcentagem da saída da escala completa.
• Histerese: Diferença máxima entre os sinais de saída da célula de carga para a mesma carga aplicada. A primeira medição pode ser obtida diminuindo a carga da saída nominal e a segunda aumentando a carga de zero.
• Repetibilidade: Diferença máxima entre as medições de saída para cargas repetidas sob condições idênticas. Medido em porcentagem da saída nominal.
• Equilíbrio Zero (Offset): Leitura de saída da célula de carga com excitação nominal sem carga. O desvio na saída entre uma medição do zero verdadeiro e uma célula de carga real sob carga zero expresso como uma porcentagem da saída da escala completa.
• Faixa de temperatura compensada: A faixa de temperatura na qual uma célula de carga é compensada para que possa garantir equilíbrio zero e saída nominal dentro dos limites especificados. Expresso como ° F ou ° C.
• Faixa de temperatura operacional: extremos da faixa de temperatura em que uma célula de carga pode operar sem efeitos adversos permanentes em qualquer uma de suas características de desempenho. Expresso como ° F ou ° C.
• Efeito da temperatura na saída: modificação das leituras de saída causadas pela temperatura da célula de carga. Expresso como porcentagem da saída da escala completa por grau de ° F ou ° C.
• Efeito da temperatura em zero: Mudança no equilíbrio zero causada por mudanças na temperatura ambiente. Expresso como porcentagem da saída da escala completa por grau de ° F ou ° C.
• Resistência de entrada: resistência de entrada do circuito em ponte da célula de carga. Medido nas pontas de excitação positiva e negativa sem carga aplicada. Medido em Ohms.
• Resistência de saída: resistência de saída do circuito em ponte da célula de carga. Medido nas pontas de excitação positiva e negativa sem carga aplicada. Medido em Ohms.
• Resistência de isolamento: A resistência medida ao longo dos caminhos entre: o circuito da ponte e o elemento transdutor, o circuito da ponte e a blindagem do cabo, e o elemento transdutor e a blindagem do cabo. Normalmente medido em cinquenta volts em condições de teste padrão.
• Excitação recomendada: Tensão de excitação máxima recomendada do transdutor para operar dentro de suas especificações. Expresso em VDC.
• Comprimento do cabo: comprimento do cabo padrão para o qual a célula de carga é calibrada. O comprimento do cabo afeta como a célula de carga é calibrada.
• Sobrecarga segura: a carga máxima que pode ser aplicada a uma célula de carga sem causar efeitos permanentes em suas especificações de desempenho. Medido como uma porcentagem da saída de escala total.
• Sobrecarga final: carga máxima que pode ser suportada sem causar falha estrutural.
• Material: Substância que compreende o elemento de mola da célula de carga.

Calibração da célula de carga

As células de carga são parte integrante da maioria dos sistemas de pesagem nas indústrias industrial, aeroespacial e automotiva, suportando o uso diário rigoroso. Com o tempo, as células de carga irão se desviar, envelhecer e desalinhar; portanto, eles precisarão ser calibrados regularmente para garantir que resultados precisos sejam mantidos. ISO9000 e a maioria dos outros padrões especificam um período máximo de cerca de 18 meses a 2 anos entre os procedimentos de recalibração, dependendo do nível de deterioração da célula de carga. A recalibração anual é considerada a melhor prática por muitos usuários de células de carga para garantir as medições mais precisas.

Os testes de calibração padrão usarão linearidade e repetibilidade como diretriz de calibração, pois ambos são usados ​​para determinar a precisão. A calibração é conduzida de forma incremental começando a trabalhar em ordem crescente ou decrescente. Por exemplo, no caso de uma célula de carga de 60 toneladas, podem ser usados ​​pesos de teste específicos que medem em incrementos de 5, 10, 20, 40 e 60 toneladas; um processo de calibração de cinco etapas geralmente é suficiente para garantir que um dispositivo seja calibrado com precisão. Recomenda-se repetir este procedimento de calibração de cinco etapas 2-3 vezes para obter resultados consistentes.

Veja também

• Escama de primavera
• Sensor de alongamento

Referências

Padrões

• ASTM E4 - Práticas para verificação de força de máquinas de teste
• ASTM E74 - Prática para Calibração de Instrumentos de Medição de Força para Verificação da Indicação de Força de Máquinas de Teste
• NTEP - Conferência Nacional de Pesos e Medidas (Certificado de Conformidade)