Come funzionano le celle di carico

Quando si parla di misura del peso di un oggetto, s’intende il rilevamento della forza che questo esercita sul sistema di rilevamento, qualsiasi esso sia, per effetto della gravità terrestre (forza di gravità); ecco perché in Fisica si distingue tra peso e massa, giacché quest’ultima è la consistenza di un corpo, mentre il peso è la percezione che la massa trasmette sotto forma di forza esercitata per effetto dell’accelerazione di gravità. Non a caso massa e peso sono correlate dall’accelerazione di gravità, che mediamente vale 9,81 m/s². Da questo discorso deriva che misurare un peso significa rilevare una forza, che non a caso chiamiamo forza-peso. Siccome siamo elettronici, a noi interessano principalmente i dispositivi di misura del peso di tipo elettronico e tra questi abbiamo i sensori di pressione (che sono effettivamente in grado di rilevare una forza, seppur per unità di superficie) e le celle di carico, le quali sono attualmente i sensori d’elezione per rilevare il peso in moltissimi ambiti, dalle bilance elettroniche alle pese industriali.

Una cella di carico è un dispositivo che viene utilizzato per misurare il peso e, di riflesso, le forze esercitate, tanto a compressione, quanto a trazione. In questo articolo spiegheremo di cosa si tratta e in che modo si usa tale dispositivo.

Come funziona la cella di carico

Quando una forza viene applicata ad essa in un modo specifico, una cella di carico produce un segnale di uscita che è proporzionale alla forza stessa. Ma come fa a generare questo segnale? Ebbene, il dispositivo si basa su componenti detti estensimetri, che funzionano sfruttando l’effetto piezoresistivo, ossia la tendenza che alcuni materiali elettricamente conduttori hanno a modificare la propria resistività quando vengono compressi o espansi lungo certe direzioni. Tale fenomeno è qualcosa di simile all’effetto piezoelettrico che si manifesta nei quarzi e in alcuni materiali ceramici sintetici, dove la trazione o compressione produce una differenza di potenziale tra due facce opposte.

Una cella di carico del tipo strain-gauge (a estensimetro) è costituita da un elemento elastico che viene selettivamente indebolito per creare regioni relativamente ad alta tensione; in tali regioni si applicano gli estensimetri. Questi vengono collegati in varie configurazioni, sebbene la più apprezzata sia quella a Ponte di Wheatstone, formato da quattro estensimetri disposti come mostrato nella Fig. 1; in alcuni casi gli estensimetri sono due e gli altri due elementi sono resistenze comuni. Gli estensimetri possono anche essere disposti a formare mezzo ponte e in questo caso si parla di semicelle.

figura 1

Il ponte di Wheatstone viene alimentato tra i nodi superiore e inferiore (punti +/- EXCITATION) da una tensione continua e stabilizzata di eccitazione, mentre il segnale d’uscita si preleva fra i nodi orizzontali del ponte; siccome il ponte di Wheatstone è sostanzialmente un doppio partitore resistivo di cui si prelevano i potenziali d’uscita sollevati da massa, la tensione che ne deriva è la differenza tra essi. Nello schema di Fig. 1, l’uscita è localizzata tra A e B.

Senza alcun carico applicato alla cella, tutti gli estensimetri hanno la stessa resistenza e quindi non c’è differenza di potenziale tra i punti A e B.

Quando il carico viene applicato alla cella, la resistenza degli indicatori di tensione aumenta, mentre quella degli indicatori di compressione diminuisce, cosicché il ponte diventa sbilanciato e si verifica una differenza di potenziale proporzionale al carico applicato, che può essere misurata attraverso i punti A e B.

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