Celle di carico: cinque errori

Una cella di carico ben scelta non garantisce da sola una misura corretta. Nella pratica industriale la maggior parte delle contestazioni su valori di forza nasce a valle della scelta del sensore: nel modo in cui viene montato, alimentato, cablato e verificato. Gli errori celle di carico e amplificatori di misura più frequenti costano ore di fermo, lotti bloccati e collaudi ripetuti, e quasi sempre sono sistematici: non si manifestano come rumore evidente, ma come uno scostamento stabile che nessuno mette in discussione.

Il principio fisico spiega la fragilità della catena. Un estensimetro incollato al corpo elastico converte una deformazione di poche centinaia di microstrain in una variazione di resistenza minima; il ponte di Wheatstone la traduce in una tensione differenziale dell’ordine di pochi millivolt, tipicamente 2 mV/V della tensione di eccitazione. Su un’alimentazione a 10 V il segnale a fondo scala vale 20 mV. Tutto ciò che si somma a quel segnale — una caduta di tensione sui cavi, un anello di massa, una componente di flessione — entra nella misura senza distinguersi dal carico reale.

Le cinque situazioni descritte qui sotto coprono le cause più ricorrenti di deriva e di errore di guadagno in una catena di pesatura o di misura di forza: montaggio meccanico, cablaggio, compatibilità elettromagnetica, modalità di taratura e protezione dal sovraccarico. Per ciascuna si indica che cosa si sbaglia, perché il dato risulta falsato e come si evita, con riferimento alle prescrizioni di OIML R60 e ISO 376 e ai parametri di creep, isteresi e non linearità dichiarati dal costruttore.

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Errori celle di carico e amplificatori di misura: il montaggio meccanico

Il primo errore è installare la cella senza governare la direzione del carico. Il corpo elastico è progettato per leggere una componente sola, quasi sempre assiale: flessione, torsione e carichi laterali sono grandezze parassite che la struttura converte comunque in deformazione. Le cause tipiche sono superfici di appoggio non piane o non parallele, vincoli iperstatici che nascono da tre o più appoggi rigidi su una struttura deformabile, tiranti non allineati, tubazioni collegate rigidamente al serbatoio pesato. L’effetto non è casuale: produce uno scostamento ripetibile, che la ripetibilità delle prove fa apparire come misura buona. Si evita spianando e rettificando i piani di appoggio, usando i kit di montaggio autoallineanti previsti dal costruttore, inserendo giunti sferici o snodi sui tiranti, disaccoppiando tubi e passerelle con manicotti flessibili e verificando la planarità degli appoggi prima del serraggio.

Cablaggio a quattro fili sulle lunghe distanze e caduta di tensione

Il secondo errore riguarda il collegamento fra ponte e amplificatore. Con la connessione a quattro fili la tensione di eccitazione viene applicata all’ingresso dell’amplificatore, non ai morsetti della cella: la resistenza del cavo introduce una caduta che riduce l’eccitazione effettivamente vista dal ponte. Poiché l’uscita è espressa in mV/V, una eccitazione ridotta dell’uno per cento produce un errore di guadagno dell’uno per cento, proporzionale al carico e quindi invisibile a zero. Il fenomeno peggiora con la lunghezza del cavo, con sezioni ridotte e con la temperatura, che fa variare la resistenza del rame di circa lo 0,4 per cento per grado. La soluzione è la connessione a sei fili: i due conduttori di sense riportano all’amplificatore la tensione reale ai morsetti del sensore, che la compensa. Le prolunghe vanno realizzate mantenendo i sei conduttori fino alla cella, mai attestando il sense in morsettiera.

Disturbi elettromagnetici e messa a terra in più punti

Il terzo errore è trattare un segnale da pochi millivolt come un segnale di potenza. Cavi di misura posati nella stessa canalina di alimentazioni motore o di uscite da inverter raccolgono disturbi condotti e irradiati; schermi collegati a terra a entrambe le estremità creano un anello di massa in cui circolano correnti spurie che si sovrappongono alla misura. Il risultato è instabilità del valore, oscillazioni che compaiono solo quando parte un azionamento, letture che cambiano dopo un intervento sull’impianto. Si evita separando fisicamente i percorsi, incrociando a 90 gradi gli attraversamenti inevitabili, collegando lo schermo a terra in un solo punto, di norma lato amplificatore, e portando tutte le masse strumentali a un unico nodo equipotenziale. Filtri di ingresso e tempi di integrazione più lunghi riducono il rumore residuo, ma non sostituiscono una posa corretta.

Taratura elettrica con calibratore anziché con carico reale

Il quarto errore è verificare la catena iniettando un segnale simulato in mV/V con un calibratore e considerarla tarata. Quella prova qualifica solo l’amplificatore: dimostra che a un dato ingresso elettrico corrisponde il valore atteso, ma non dice nulla su ciò che accade fra il carico applicato e l’uscita del ponte. Proprio lì risiedono gli effetti del montaggio, gli attriti dei vincoli, i carichi parassiti e la rigidezza delle tubazioni. La taratura va eseguita sull’intero sistema installato, con masse campione o con celle campione, salendo e scendendo lungo la scala per rilevare isteresi e non linearità e mantenendo il carico per valutare il creep. ISO 376 definisce la procedura di taratura per le celle usate come riferimento nelle macchine di prova, OIML R60 la valutazione metrologica in ambito di pesatura: entrambe presuppongono la verifica del sistema, non del solo canale elettrico.

Sovraccarico, assenza di fermi meccanici e deriva dello zero

Il quinto errore è dimensionare la cella sul carico nominale ignorando i transitori. Urti in fase di carico, riempimenti rapidi, colpi d’ariete, sollecitazioni durante il montaggio e manovre con carroponte generano picchi che superano il fondo scala anche di molte volte. Oltre il limite di sovraccarico dichiarato il corpo elastico deforma plasticamente: lo zero non torna al valore iniziale e la deriva resta permanente, mentre la sensibilità può restare quasi invariata, rendendo l’anomalia difficile da attribuire. Si evita scegliendo un margine adeguato rispetto al carico di esercizio, installando fermi meccanici e battute regolate che intercettino la corsa prima del limite, aggiungendo antisollevamento nei serbatoi sospesi e registrando periodicamente il valore di zero a vuoto come indicatore di stato.

Per la scelta dei componenti della catena di misura e per i criteri di configurazione è disponibile la sezione dedicata a Celle di carico e amplificatori di misura.

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