Cella di Carico Idraulica: Funzionamento e Applicazioni
Una cella di carico serve a misurare forze di trazione statiche e dinamiche. Oltre a misurare la forza, si può utilizzare anche per determinare il momento torcente. La cella di carico è disponibile in varie versioni e si può utilizzare in vari settori.
Tipi di Celle di Carico
Esistono vari tipi di celle di carico o dinamometri:
- Dinamometro a molla: Il corpo della molla si deforma quando viene esercitata la forza.
- Cella di carico piezoelettrica: L'applicazione della forza produce una distribuzione del carico proporzionale alla forza esercitata.
- Cella di carico con compensazione elettromagnetica: Serve soprattutto per misurare forze più piccole e si integra in genere nelle bilance di precisione e microbilance.
- Celle di carico tipo blocco: Come dice il nome, è a forma di blocco, molto robusta e utilizzata in molte bilance.
- Dinamometro con cella di carico a forma di perno: Utilizzato nella misurazione delle forze di trazione e compressione.
Cella di Carico Idraulica
La cella di carico idraulica viene sempre più rimpiazzata da dinamometri digitali, poiché quasi tutti i processi di produzione sono attualmente digitalizzati. D'altra parte, la cella di carico idraulica può essere utilizzata nell'analisi della temperatura e per dati climatologici. È più robusta e di rado richiede manutenzione.
Funzionamento della Cella di Carico Idraulica
Le celle di carico idrauliche sono dispositivi a forza bilanciata che misurano il peso come una variazione della pressione del fluido di riempimento interno. In una cella di carico idraulica a tipo membrana di rotolamento, un carico o la forza agisce su una testa di carico e la stessa viene trasferita ad un pistone che a sua volta comprime un fluido di riempimento confinato all'interno di una camera di membrana elastomerica. Come la forza aumenta, la pressione del fluido idraulico si innalza. Questa pressione può essere visualizzata localmente o trasmessa per la segnalazione a distanza o di controllo. L'uscita è lineare e relativamente indipendente dalla quantità del fluido di riempimento o dalla sua temperatura.
Se le celle di carico sono state installate correttamente e calibrate, la precisione può essere inferiore allo 0,25% del fondo scala o migliore, e comunque risulta essere sempre accettabile per la maggior parte dei processi di pesatura delle applicazioni. Uno svantaggio è che la membrana elastomerica limita la forza massima che può essere esercitata sul pistone di circa 1000 psig. Le celle di carico completamente in metallo sono anche disponibili e possono gestire pressioni molto più alte.
Applicazioni delle Celle di Carico Idrauliche
Le tipiche applicazioni idrauliche delle celle di carico sono serbatoi. La cella di carico idraulica può essere utilizzata nell'analisi della temperatura e per dati climatologici.
Le celle di carico idrauliche sono utilizzate in luoghi remoti, in quanto non necessitano di alimentazione.
Nell'applicazioni che non richiedono grande precisione, ad esempio per la movimentazione di materiali sfusi e la pesatura dei camion, le bilance a piattaforma meccaniche sono ancora ampiamente utilizzate.
Importanza della Calibrazione
La cella di carico viene utilizzata per la misurazione della forza applicata su un componente meccanico attraverso la misura di un segnale elettrico che varia al variare della deformazione che la forza produce sullo stesso. Per garantire misurazioni precise e affidabili, la calibrazione delle celle di carico è un aspetto fondamentale. La calibratura regolare assicura che il sensore mantenga la sua accuratezza nel tempo, specialmente in applicazioni critiche dove la precisione è essenziale, come nei settori farmaceutico e alimentare. Le celle di carico, infatti, sono spesso sottoposte a vibrazioni, variazioni termiche o carichi ripetuti, condizioni che potrebbero alterarne la performance se non adeguatamente monitorate.
Altri Tipi di Sensori di Forza
I principi fondamentali di funzionamento degli strumenti di misura della forza, dell'accelerazione e della coppia sono strettamente collegati ai dispositivi piezoelettrici ed estensimetri utilizzati per misurare pressioni statiche e dinamiche. Le specifiche di configurazione e di elaborazione del segnale determinano l'uscita di misurazione.
Sensori Piezoelettrici
Il rilevatore più comune della forza dinamica e dell'accelerazione è il sensore piezoelettrico. Il termine piezo è di origine greca e significa "spremere". Questo significato è molto appropriato in quanto un sensore piezoelettrico (come mostrato sotto) produce una tensione quando è "spremuto" da una forza che è proporzionale alla forza applicata. La differenza fondamentale tra questi dispositivi statici e dispositivi di rilevamento di forza come gli estensimetri è che il segnale elettrico generato dal cristallo decade rapidamente dopo l'applicazione della forza. Questo fattore rende tali dispositivi adatti per il rilevamento della forza statica. Il segnale ad alta impedenza elettrica generata dal cristallo piezoelettrico viene convertito (da un amplificatore) ad un segnale a bassa impedenza adatto per uno strumento come l'oscilloscopio digitale. La memorizzazione digitale del segnale è necessaria per consentire l'analisi del segnale prima che lo stesso decada.
A seconda delle esigenze applicative, la forza dinamica può essere misurata come trazione, compressione o forza di coppia. Un sensore di forza piezoelettrico è abbastanza rigido come un pezzo relativamente proporzionato di acciaio solido. Questa rigidità e resistenza consentono a questi sensori di essere inseriti direttamente in macchine come parte della loro struttura. Tale rigidità fornisce loro elevata frequenza naturale ed il loro corrispondente tempo di aumento rapido li rende ideali per misurare tali forze transitorie veloci come quelle generate da impatti metallo con metallo e da vibrazioni ad alta frequenza. Per garantire una misura accurata, la frequenza naturale del dispositivo di rilevamento deve essere sostanzialmente maggiore della frequenza da misurare.
Accelerometri
Un accelerometro rileva il movimento della superficie su cui è montato e produce un segnale elettrico di uscita relativa a tale movimento. L'accelerazione è misurata in piedi al secondo quadrato; il prodotto dell'accelerazione per la massa misurata, produce la forza.
Inizialmente i sensori di accelerazione e di vibrazioni erano complessi congegni meccanici (come illustrato di seguito) ed erano adatti ad uso più da laboratorio che da impianti. I primi accelerometri erano dispositivi elettronici analogici che sono stati successivamente convertiti in digitale con microprocessore. I controlli degli air bag nel settore automobilistico utilizzano micro sistemi ibridi elettromeccanici (MEMS). Questi dispositivi si basano su quello che un tempo era considerato un difetto nella progettazione dei semiconduttori, uno "strato liberato" o frammento di materiale del circuito nel microspazio al di sopra della superficie del chip. In un accelerometro MEMS, questo strato è utilizzato come sensore per misurare l'accelerazione.
Le applicazioni industriali degli accelerometri includono dal controllo delle vibrazioni alla diagnosi di macchinari, per esempio, per parti rotanti fuori asse. Un'altra applicazione è il test strutturale, dove la presenza di un difetto strutturale, come ad esempio una fessura, una saldatura difettosa, o corrosione può modificare la vibrazione conosciuta di una struttura. La struttura può essere il telaio di un motore o di una turbina, di un reattore, o un serbatoio. La prova viene eseguita colpendo la struttura con un martello, eccitandola con una nota funzione di forzatura.
Sensori di Coppia
La coppia è una forza di torsione, di solito operante su alberi, barre, pulegge e dispositivi di rotazione. Essa è definita come il prodotto della forza per il raggio su cui agisce.
La coppia viene misurata con il rilevamento della deformazione effettiva dell'albero causata da una forza di torsione o dagli effetti di tale deflessione. La superficie di un albero sottoposta ad una coppia subirà compressione e tensione, come mostrato di seguito. I primi sensori di coppia erano costituiti di strutture meccaniche dotate di estensimetri. Il loro costo elevato e la scarsa affidabilità ne hanno impedito l'impiego nel settore industriale.
Le applicazioni per sensori di coppia includono la determinazione del livello di potenza che un motore, una turbina o altro dispositivo di rotazione genera o consuma. Nel mondo industriale, l'ISO 9000 ed altre specifiche di controllo di qualità impongono alle imprese di misurare la coppia durante la produzione, soprattutto quando vengono applicati dispositivi di fissaggio. I sensori effettuano tali misurazioni di coppia automaticamente su ogni tipo di macchinario e possono essere aggiunti alla lista degli utensili necessari al controllo e manutenzione degli impianti.
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