Celle di carico a estensimetri

Le celle di carico a estensimetri sono i sensori più diffusi per misurare forza e peso con precisione, e stanno alla base di quasi tutte le bilance industriali, dei dinamometri e dei banchi prova. Il principio unisce meccanica ed elettricità: la forza da misurare deforma leggermente un corpo elastico, e questa deformazione, invisibile a occhio, viene rilevata da piccoli sensori chiamati estensimetri, che ne variano la resistenza elettrica. Misurando questa variazione si risale alla forza applicata. La cella di carico traduce così una grandezza meccanica in un segnale elettrico proporzionale, misurabile con precisione. Capire come funziona una cella di carico a estensimetri aiuta a comprendere come si misura la forza in modo accurato e affidabile, dalla pesatura industriale alle prove sui materiali.

Questa pagina spiega come la forza deforma il corpo elastico, come gli estensimetri e il ponte di misura la rilevano, e cosa ne determina la qualità. È una guida per il tecnico che misura forza e peso.

Dalla forza alla deformazione

Il cuore di una cella di carico è un corpo elastico, un elemento metallico progettato per deformarsi in modo preciso e ripetibile sotto carico. Quando si applica una forza, il corpo elastico si deforma di una quantità minima, dell’ordine di frazioni di millimetro o meno, proporzionale alla forza applicata, entro il campo di funzionamento. Questa proporzionalità tra forza e deformazione è la base della misura: se si misura la deformazione, si conosce la forza. Il corpo elastico è progettato con grande cura perché la sua deformazione sia lineare, ripetibile e stabile nel tempo, e perché torni esattamente alla forma iniziale una volta tolto il carico. La forma del corpo elastico varia a seconda del tipo di cella e del campo di forza: esistono celle a trave, a colonna, a taglio e di altre geometrie, ciascuna ottimizzata per un tipo di carico. In tutti i casi, il primo passaggio della misura è trasformare la forza in una deformazione controllata e misurabile.

Gli estensimetri e il ponte di misura

Per misurare la deformazione si usano gli estensimetri, piccoli sensori incollati sul corpo elastico. Un estensimetro è una griglia di filo o pellicola metallica che, deformandosi insieme al corpo elastico, cambia la propria resistenza elettrica: allungandosi la resistenza aumenta, comprimendosi diminuisce. Queste variazioni sono però minime, quindi per misurarle con precisione gli estensimetri, di solito quattro, vengono collegati in un ponte di Wheatstone. Il ponte rileva con grande sensibilità le piccole variazioni di resistenza e le trasforma in un segnale di tensione proporzionale alla forza. La configurazione a ponte ha un altro vantaggio fondamentale: compensa i disturbi, in particolare l’effetto della temperatura, che influenzerebbe la misura ma agisce ugualmente su tutti gli estensimetri e quindi si annulla. Grazie al ponte, la cella di carico fornisce un segnale pulito, proporzionale alla forza e stabile rispetto alla temperatura, che l’elettronica converte nel valore di forza o peso.

Elemento	Funzione
Corpo elastico	Si deforma in proporzione alla forza
Estensimetri	Variano resistenza con la deformazione
Ponte di misura	Rileva e compensa i disturbi

Qualità e prestazioni

La qualità di una cella di carico si esprime con alcune caratteristiche. La classe di precisione indica l’accuratezza complessiva. La linearità dice quanto il segnale è fedelmente proporzionale alla forza su tutto il campo. L’isteresi misura la differenza tra la lettura salendo e scendendo con il carico, e la ripetibilità la costanza delle misure ripetute. Contano anche la portata, cioè la forza massima misurabile, e la stabilità nel tempo. Una buona cella di carico ha alta linearità, bassa isteresi, ottima ripetibilità e stabilità, e la sua deformazione torna sempre allo zero a carico rimosso. Queste prestazioni derivano dalla cura nella progettazione del corpo elastico, nell’applicazione degli estensimetri e nella compensazione. Scegliere la cella con la portata e la classe adatte all’applicazione è essenziale: una cella sovradimensionata perde risoluzione, una sottodimensionata rischia il sovraccarico. Conoscere queste caratteristiche guida verso la cella giusta.

• La forza deforma un corpo elastico in modo proporzionale.
• Gli estensimetri variano resistenza con la deformazione.
• Il ponte di misura rileva e compensa la temperatura.
• Contano classe, linearità, isteresi e ripetibilità.
• Scegliere portata e classe adatte all’applicazione.

Affidabilità della misura

Per misure affidabili la cella di carico va usata entro la sua portata, evitando i sovraccarichi che possono danneggiarla, e va montata correttamente, con il carico applicato nella direzione prevista e senza forze laterali che falserebbero la misura. Conta la taratura su pesi o forze note, la compensazione della temperatura e un buon condizionamento del segnale. Documentare portata, classe e taratura rende le misure confrontabili. Grazie al principio estensimetrico, robusto e collaudato, le celle di carico a estensimetri offrono misure di forza e peso accurate, lineari e stabili, e sono lo standard indiscusso della misura di forza nell’industria, dalle bilance ai banchi prova.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Estensimetria e sensori di forza del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato alle catene di misura, amplificatori e indicatori. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo le celle di carico fanno capo alle celle di carico e amplificatori di misura, nella famiglia forza, coppia, tensione e banchi prova. Se devi misurare forza o peso con precisione, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.