I sensori di forza, le celle di carico e gli amplificatori associati sono i componenti fondamentali di tutti i sistemi di misura di forza in ambito industriale, di test, di pesatura, di controllo di processo. Convertono la grandezza meccanica (forza, peso, pressione) in segnale elettrico misurabile (mV/V, V, mA, digitale) tramite trasduttori basati su diversi principi fisici. La disponibilità di celle di carico in svariate geometrie, capacità e classi di accuratezza permette la realizzazione di soluzioni custom per banchi di prova personalizzati, integrazione in macchine industriali, sistemi di monitoraggio strutturale, pesatura industriale.
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Tecnologie di trasduzione
La tecnologia più diffusa è la cella di carico estensimetrica (strain gauge load cell), in cui estensimetri resistivi a filo o a film sottile sono incollati su un elemento elastico di trasduzione (geometria a S, button, pancake, pin, beam, canister); la deformazione elastica sotto carico modifica la resistenza degli estensimetri, generando un segnale di sbilanciamento del ponte di Wheatstone. Le celle piezoelettriche utilizzano cristalli al quarzo o ceramiche piezoelettriche che generano carica elettrica sotto deformazione: sono ideali per forze dinamiche ad alta frequenza ma non per misure statiche prolungate. Le celle capacitive misurano variazioni di capacità di un trasduttore elettrico mobile e sono utilizzate per applicazioni di alta precisione e basse forze.
Tipologie di celle estensimetriche
Le geometrie più diffuse di celle di carico sono: a S (per trazione e compressione fino a poche kN, applicazioni di banchi prova), pancake (basso profilo, alta capacità di carico, fino a centinaia di kN), button (piccola, per integrazione in macchine, fino a kN), bending beam (per pesatura industriale, fino a poche tonnellate), shear beam (per applicazioni a media-alta capacità), canister (per pesatura tank, silos, ponti pesa, fino a centinaia di tonnellate), pin (per misura di tensione in funi e tiranti). Ogni geometria è ottimizzata per una direzione di carico specifica.
Amplificatori e indicatori
Le celle estensimetriche generano segnali di output a basso livello (tipicamente 2 mV/V a fondo scala) che richiedono amplificazione e condizionamento prima della lettura. Gli amplificatori dedicati forniscono alimentazione stabilizzata al ponte di Wheatstone, amplificazione del segnale con offset e shunt-calibration, conversione in uscita analogica (4-20 mA, 0-10 V) o digitale (RS-485, Modbus RTU, CAN, Profibus, Profinet). Gli indicatori industriali integrano l’amplificatore con display digitale, funzioni di taratura, soglie di allarme, output dati. Sono il “front-end” tipico di sistemi di pesatura e di test.
Applicazioni
Le celle di carico e i sensori di forza trovano applicazione in: macchine universali di prova materiali (UTM); banchi prova personalizzati (test di trazione, compressione, fatica, in linea con il prodotto); pesatura industriale (bilance da banco, da terra, ponti pesa, silos, contenitori chiusi); sistemi di pesatura dinamica (riempitrici, dosatori, controllo peso in linea); manutenzione strutturale (monitoraggio forze su pilastri, tiranti, capriate); sistemi di sicurezza (porte rilevamento di forza, antintrusioni); robotica (controllo di forza di prese e di pressioni di lavoro); applicazioni di sport-engineering e biomeccanica.
Caratteristiche e norme
Le caratteristiche principali di una cella di carico sono: capacità nominale, classe di accuratezza (C3, C4, C6 per pesatura legale; classi 0,02 / 0,05 / 0,1 / 0,5 % F.S. per applicazioni industriali), errore di linearità, isteresi, ripetibilità, deriva termica (effetto della temperatura sull’output), sensibilità nominale (mV/V), resistenza del ponte (Ω), tensione di alimentazione massima, sovraccarico di sicurezza. Le norme di riferimento sono OIML R60 (celle per strumenti di pesatura), ISO 376 (calibrazione celle per macchine di prova). La taratura ISO 17025 è richiesta per applicazioni di accuratezza certificata.