Células de carga

Os sensores para instrumentos de medição de força ou dispositivos para medir força são denominados célula de carga. A célula de carga pode ter diferentes formas e tamanhos. A célula de carga pode ter uma forma cilíndrica plana. Na atualidade, o termo célula de carga também é usado para outros modelos. Existem sensores de força que estão conectados fixamente à unidade de visualização, embora também existem células de carga que podem ser conectadas a vários dispositivos de medição de força ou unidades de visualização. A célula de carga externa tem a vantagem de poder estar distante do ponto de medição e do ponto de visualização. Além disso, permite sua utilização em lugares onde o espaço é reduzido. Alguns princípios de medição elétrica permitem avaliar simultaneamente os sinais de várias células de carga. Essa possibilidade é frequentemente usada em tecnologia da pesagem. Graças à possibilidade de deduzir a força do peso a partir de um valor gravita tório conhecido, é possível usar a célula de carga em várias balanças. As células de carga especiais podem registrar múltiplas direções de força ao longo de um eixo ou registrar simultaneamente os valores de vários eixos de força.
A diretriz VDI 2638 regula os parâmetros da célula de carga. De acordo com o comunicado de imprensa da VDI,
a diretriz permite "ao consumidor atribuir claramente as características do produto e fazer uma escolha de acordo com suas necessidades".

Princípios de funcionamento da célula de carga
Célula de carga com força de mola
É possível fabricar uma célula de carga mecânica simples a partir de molas metálicas em espiral. Se a mola espiral for esticada ou comprimida ao longo do eixo, a mudança de comprimento dentro da faixa de medição é proporcional à força exercida. Quando a célula de carga de mola é descarregada, ela retorna à sua forma original. Dependendo do tipo de material, da espessura e do tipo e número de bobinas, as molas serão projetadas para diferentes faixas de medição. O curso da mola é exibido em uma escala como um valor de força. Alguns medidores de força de mola adicionalmente arrastam um indicador de arrasto quando uma força é exercida. No entanto, o indicador de arrasto não retorna automaticamente para a posição inicial quando a carga é liberada. Desta forma, é possível visualizar o valor máximo de uma série de medições.

Célula de carga com fluido hidráulico
Um sensor de força hidráulica geralmente tem a forma de uma célula de carga. No modelo mais comum, a força atua sobre um pistão que se projeta ligeiramente e, por sua vez pressiona o cilindro cheio de fluido hidráulico. Existem pistões anulares especiais para medir os pontos onde a célula de carga está posicionada e fixada por um eixo.
Como os líquidos são difíceis de comprimir, transmitem a força aplicada no sistema. A indicação pode ser realizada mecanicamente, por exemplo, mediante manômetros, transmissores de pressão ou contatos especiais. Uma célula de carga hidráulica não requer energia auxiliar, é robusta e, usando um fluido hidráulico apropriado, pode ser usada em amplas faixas de temperatura.

Célula de carga com extensômetro (DMS)
A célula de carga com extensômetro usa a deformação elástica de fios metálicos. No entanto, a mudança no comprimento não é medida, mas sim a mudança da resistência elétrica. Quando o fio é esticado, a resistência aumenta e quando é comprimido diminui. O arame fino aplicado a um suporte ou lâmina é chamado grade. O corpo base sobre o qual se aplicada as bandas do extensômetro se deforma elasticamente.
Ao usar várias resistências conectadas transversalmente pode-se evitar erros de medição causados por forças transversais, momentos de flexão e mudanças de temperatura. Isso é feito por meio do circuito elétrico conhecido como Ponte de Wheatstone, no qual quatro extensômetros são montados no corpo da mola da célula de carga, de forma que, ao aplicar força, dois sejam comprimidos e dois esticados. Se a temperatura mudar, a resistência em todos os extensômetro também muda, mas devido ao alinhamento oposto, nenhuma tensão de saída é gerada. Com ajuda deste circuito, pode-se produzir sensores de força muito precisos a um custo relativamente baixo. A forma e o material do corpo da mola também podem ser usados para cobrir uma ampla gama de diferentes faixas de medição.

Célula de carga com compensação eletromagnética
A célula de carga com compensação eletromagnética (também conhecida como EMFC por sua sigla em inglês para electromagnetic force compensation), gera um campo magnético ao redor de uma bobina sob corrente. Um sensor de posição detecta quando a bobina baixa pela aplicação de força. O sensor envia o sinal para um controlador que aumenta a corrente da bobina até que ela alcance a posição original novamente. Portanto, a posição é a mesma no estado carregado e descarregado, pois a célula de carga compensa eletromagneticamente o efeito da força. A célula de carga EMFC também mede com precisão forças muito pequenas. A corrente requerida é proporcional à carga.

Célula de carga com elementos piezoelétricos
Quando uma carga é aplicada, é criada uma carga na superfície dos cristais piezoelétricos, cuja quantidade é proporcional à força aplicada. O efeito que causa em certos cristais com eixos polares foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie. Como esta carga é mantida apenas por um curto período de tempo, este princípio é especialmente adequado para mudanças rápidas de carga, picos de carga curtos ou para medições contínuas com registro contínuo. Até mesmo cargas dinâmicas com frequências de até 100Hz podem ser medidas com uma célula de carga piezoelétrica. O posicionamento adequado de vários elementos permite realizar medições múlti eixo.
Aos sensores de força, que geralmente são feitos de cristais de quartzo, conecta-se a eles um amplificador de carga. O mesmo detecta mudanças de carga, converte-as e transfere a informação para um display, uma interface ou um meio de armazenamento. A célula de carga piezoelétrica mede cargas dinâmicas de forma rápida e com alta sensibilidade.

Critérios de seleção da célula de carga
As perguntas básicas abaixo são uma ajuda extra na seleção da célula de carga apropriada:
- Que tipo de força deve medir a célula de carga?
- É necessário um adaptador especial para a tarefa de medição?
- Quais são as forças máximas?
- Que precisão é necessária?
- É necessário registrar os valores de medição?
- A célula de carga será utilizada em condições ambientais especiais?

Tipos de força na célula de carga
O modelo da célula de carga difere dependendo da tarefa de medição. Um fator importante é saber se serão medidas forças estáticas ou dinâmicas. A partir daí, é diferenciado entre:
- Células de carga que medem somente forças de tração ou de compressão,
- células de carga que medem forças de tração e compressão bidirecionalmente,
- células de carga que medem o momento de torque ou força torque.

Adaptador para a célula de carga
Algumas células de carga oferecem a possibilidade de conectar adaptadores especiais. Os sensores de força com extensômetros em forma de S levam integrados na parte superior e inferior da célula um orifício métrico de rosca. Isso permite conectar
- diferentes tipos de pontas de medição com superfícies circulares, esféricas ou cônicas para a medição da força de compressão
- ou ganchos, ilhós ou elementos de fixação para fixar a amostra nas medições de força de tração.

Força máxima de uma célula de carga
Para cada célula de carga e cada medidor de força é especificada uma força máxima. Até essa faixa de força, é aplicada a precisão de medição especificada. Algumas células de carga quebram ao exceder essa faixa em uma pequena porcentagem.

Para outros sensores de força, é especificado um fator que define quanta sobrecarga a célula de carga pode suportar sem ser danificada. Normalmente é feita uma distinção entre a carga nominal, a carga limite e a carga de rotura. Algumas células de carga ou medidores de força levam integrada uma proteção contra sobrecarga separada para evitar que a célula de carga seja danificada ou quebrada. Portanto, ao selecionar uma célula de carga tenha em consideração, não apenas a faixa de medição prevista, mas também se é possível que ocorram sobrecargas involuntárias.

Precisão da célula de carga
Dependendo do modelo a da faixa de medição, a célula de carga pode alcançar diferentes precisões. Devemos destacar que uma célula de carga de alta precisão somente atinge tal precisão quando as condições ambientais especificadas são observadas. A precisão e a resolução da tela não são idênticas. Este é um fator a ser considerado na hora de selecionar uma célula de carga e na hora de avaliar os resultados de medição.

Opções de armazenamento para uma célula de carga
Para algumas medições, pode ser suficiente a visualização direta do valor na tela, por exemplo, ao pesar uma fruta. No entanto, se os valores medidos forem armazenados diretamente ou utilizados para cálculos subseqüentes, oferecemos células de carga para transmissão de dados. Uma simples célula de carga de mola ou uma célula de carga hidráulica pode indicar o valor máximo de uma série de medições através de um indicador de arrasto. No entanto, os sensores de força eletrônicos oferecem muitas mais possibilidades. A transferência eletrônica de dados à unidade de visualização e avaliação permite armazenar, converter e transferir os valores de medição. O sinal de uma célula de carga elétrica pode ser avaliado diretamente e enviado a um dispositivo de alarme, a um contato de comutação ou ser visualizado e armazenado em um computador. Ao medir uma força dinâmica, deve-se levar em consideração o intervalo de tempo no qual a célula de carga do transdutor de força pode detectar as mudanças de força.

Requisitos da célula de carga com o meio ambiente
De acordo com o princípio de medição, algumas células de carga só funcionam de forma fiável sob certas condições em termos de temperatura, umidade, carga elétrica ou magnética. Uma célula de carga na qual as magnitudes elétricas são avaliadas é muito mais sensível do que uma célula de carga mecânica. Os displays digitais para os medidores de força e as células de carga podem ser usados somente se os valores de temperatura e umidade são adequados. É por isso que para algumas aplicações são adequados os sistemas mecânicos e hidráulicos.