A massa é uma das sete grandezas físicas básicas. Em aplicações do mundo real, a massa geralmente é percebida na forma do peso do objeto. O peso é a força da gravidade que atua sobre um corpo devido à sua massa.
Como é medido o peso de um objeto? Isso é feito detectando a pressão exercida por ele na influência da força gravitacional. Um dispositivo que mede o peso detectando a pressão exercida por ele é chamado de célula de carga. Células de carga extensômetros são muito comuns e têm interface direta com microcontroladores e microcomputadores. Neste artigo, discutiremos diferentes tipos de células de carga e células de carga de medição.
O que é uma célula de carga
Um transdutor de célula de carga converte pressão ou força mecânica em um sinal elétrico mensurável. Existem muitas variações de células de carga que variam em tamanho, formato e princípio de funcionamento. As células de carga são frequentemente utilizadas em aplicações domésticas e industriais. Algumas das aplicações domésticas de células de carga incluem balanças pessoais, balanças de cozinha, balanças de banheiro, pesagem de paletes e balanças de bagagem. Algumas aplicações industriais de células de carga incluem dispositivos geotécnicos, equipamentos médicos, balanças de correia, balanças de tremonha, balanças de esteira e máquinas de pesagem integradas.
Tipos de células de carga
As células de carga variam significativamente em tamanho, formato, aplicação e princípio de funcionamento. A maneira mais fácil de categorizar células de carga é pelo princípio de funcionamento. Com base nisso, quase todas as células de carga se enquadram em uma das três categorias a seguir.
- Células de carga hidráulica
- Células de carga pneumáticas
- Células de carga de extensômetro
As células de carga hidráulica medem a força mecânica detectando o empuxo aplicado a um fluido. Eles têm uma configuração típica de pistão e cilindro, na qual um fluido é armazenado entre dois pistões. Um dos pistões é fixo e imóvel. O outro pistão é móvel na aplicação de pressão ou força de impulso. O movimento do pistão provoca uma mudança na pressão dentro de um tubo Bourdon, que é detectada por um manômetro. Esses tipos de células de carga geralmente são analógicos.
As células de carga pneumática medem a força mecânica detectando a pressão do ar ou do gás. Possui uma configuração cilíndrica semelhante, onde o cilindro é preenchido com ar ou gás e um pistão móvel é colocado no topo da célula de carga. Quando a pressão é aplicada no pistão, a pressão do ar dentro do cilindro muda, fazendo com que o ar escape de um bico na parte inferior do cilindro. A pressão exercida pelo ar/gás escapado é medida por um manômetro dentro da célula de carga.
As células de carga extensômetro medem a força mecânica detectando a deformação em um ou vários extensômetros dentro da célula de carga. Células de carga de extensômetro são o tipo mais comum de células de carga. Eles vêm em uma variedade de formas e configurações. Por exemplo, uma célula de carga tipo barra possui quatro extensômetros; dois colocados em cada extremidade da barra. A célula de carga é disposta em formação Z entre duas plataformas em uma balança. A célula de carga é dobrada devido à força aplicada quando algum peso é colocado na barra (plataforma superior). Dois extensômetros na barra medem a tensão e dois medem a compressão para detectar a distorção de flexão resultante. As células de carga em barra também são chamadas de células de carga em feixe de flexão.
Quatro células de carga são dispostas em uma formação de ponte de Wheatstone para máxima sensibilidade em uma balança típica.
Tipos de células de carga de extensômetro
As células de carga de extensômetros vêm em uma variedade de formatos e configurações. Seguem alguns dos tipos comumente disponíveis (com base na forma) e sua configuração.
Células de carga de barra: Também são chamadas de células de carga de feixe de flexão. A célula de carga é uma barra reta com furos em cada extremidade da barra. Esses furos prendem os parafusos para fazer uma formação em Z com duas plataformas. Uma plataforma permanece fixa e estacionária, enquanto a outra pode se curvar e colocar peso sobre ela. Um exemplo de célula de carga em barra é mostrado na imagem acima.
Uma célula de carga em barra pode ter um único extensômetro ou vários extensômetros. Em uma célula de carga de extensômetro único, apenas um extensômetro está presente entre as duas extremidades da barra. Na aplicação de força mecânica, o extensômetro sofre tensão ou compressão dependendo de sua configuração. A tensão ou compressão altera o valor da resistência do extensômetro, que é detectado por um circuito amplificador. Uma célula de carga de barra de extensômetro único vem com apenas três fios, onde dois fios são para excitação (tensão de alimentação e terra) e o terceiro fio é usado para saída analógica.
Células de carga em barra com múltiplos extensômetros são mais comuns. Essas células de carga geralmente possuem quatro extensômetros conectados em uma formação de Wheatstone. Existem dois extensômetros em ambas as extremidades da barra. O par de extensômetros em ambas as extremidades mede a tensão e a compressão em direções iguais e opostas – os quatro extensômetros atuam como resistores variáveis dependentes da pressão. Quando um peso é colocado no ponto de carga do sensor da célula de carga, ele sofre uma distorção de flexão. A distorção de flexão é geralmente entre 0,1 mm e 1 mm para capacidade de carga em escala real.
Como resultado da distorção de flexão, os pares de extensômetros sofrem tensão e compressão em ambas as extremidades, conforme mostrado na imagem abaixo.
Os extensômetros são colocados ao longo da barra onde podem sofrer tensão máxima na distorção de flexão da barra. Internamente, os extensômetros estão dispostos em formação de Wheatstone, conforme imagem abaixo.
Um extensômetro sob tensão fica mais fino e mais longo. Como resultado, sua resistência aumenta. Um extensômetro sob compressão fica mais grosso e mais curto. Como resultado, sua resistência diminui. Em condições normais, todos os extensômetros têm a mesma resistência e a diferença de tensão na saída da ponte de Wheatstone é zero. Quando o peso é colocado sobre o sensor, os extensômetros R1 e R3 sofrem tensão causando um aumento na resistência, e os extensômetros R2 e R4 sofrem compressão, causando uma redução na resistência. Isso gera uma tensão diferente na saída da ponte de Wheatstone. A tensão de saída está na faixa de mV e é repassada para um circuito amplificador.
A célula de carga em barra de Wheatstone vem com pelo menos quatro fios. Existem dois fios para excitação do extensômetro, ou seja, tensão de alimentação e terra. Os outros dois fios medem a diferença de tensão da ponte de Wheatstone.
As células de carga de barra podem ser de ponto único, viga de cisalhamento de extremidade única, viga de cisalhamento de extremidade dupla ou célula de carga de cabo de aço.
Célula de carga tipo S: Essas células de carga são usadas para medir pesos suspensos. A célula de carga vem em formato de S com furos em ambas as extremidades para fixação de parafusos de suspensão ou extremidades de haste. Quando um peso é suspenso na célula de carga, os extensômetros em ambas as extremidades sofrem tensão. Se o peso for colocado sobre a célula de carga, os extensômetros em ambas as extremidades sofrerão compressão. As células de carga do tipo elo de tensão também funcionam com o mesmo princípio.
Células de carga com extensômetro único: Essas células de carga consistem em um único extensômetro. O extensômetro sofre tensão ou compressão dependendo de sua configuração. Sob tensão ou compressão, sua resistência de saída é alterada, o que é detectado por um circuito amplificador. Essas células de carga estão disponíveis como botões de carga, células de carga planas e pinos de carga. Normalmente, quatro dessas células de carga são colocadas sob uma plataforma a distâncias iguais para medir o peso.
Células de carga canister: As células de carga canister são semelhantes às células de carga de disco. Essas células de carga são usadas para medições de alta capacidade, como balanças de caminhões, pesagem de vagões ferroviários, balanças de tremonha e balanças agrícolas. Essas células de carga são projetadas para medir apenas a compressão.
Células de carga de torque: Essas células de carga são usadas para medir a força de torque. Torque é a força que atua sobre um objeto fazendo com que ele gire. Um exemplo de célula de carga de torque é mostrado na imagem abaixo.
Saída da célula de carga
Seja uma célula de carga de extensômetro único ou uma célula de carga de Wheatstone, a tensão de saída da célula de carga é expressa como a tensão de excitação. Isso é fornecido como uma especificação mV/V para capacidade de carga total. Por exemplo, a tensão de saída de uma célula de carga é especificada como 4mV/V na folha de especificações. Se a tensão de excitação for 10 V, na capacidade de plena carga, a tensão de saída da célula de carga será de 40 mV. A equação a seguir fornece a tensão de saída de uma célula de carga –
Vfora =Vexcitação * Z mV/V
Onde Z é a especificação mV/V.
Conclusão
A medição de peso é feita usando células de carga, que vêm em vários formatos, tamanhos, casos de uso e princípios de funcionamento e em diversas aplicações. Essas células de carga podem ser extensômetros simples ou células de carga de Wheatstone. Com base em seu formato e configuração, as células de carga de extensômetro podem ser células de carga de feixe flexível, tipo botão/disco, tipo S, células de carga de torque ou células de carga canister. Mesmo células de carga de extensômetro único são frequentemente usadas em uma configuração Wheatstone para máxima sensibilidade.