Laurea in Ingegneria Elettronica per l'automazione e le Telecomunicazioni Laboratorio di Elettronica per l Automazione (9CFU) Caso Studio: Device CELLA DI CARICO Docente del corso: Prof. Andrea Cusano Assistenti di laboratorio: Dr. Francesco Bruno Dr. Antonio Iele ANNO ACCADEMICO 2017/2018
Definizione La CELLA DI CARICO è un trasduttore in grado di convertire un peso o una forza applicata lungo il proprio asse, in un segnale elettrico che risulta proporzionale alla deformazione causata dalla forza sulla parte meccanica dello stesso.
Elementi costitutivi di una cella di carico La CELLA DI CARICO è fondamentalmente costituita da due parti tra di loro solidali: un corpo metallico (in Acciaio inox martensitico o Alluminio). Nel caso dell'acciaio, esso viene indurito con una tempra al fine di ottenere una maggiore rigidezza); gli estensimetri (ricavati su di un supporto isolante su cui viene depositata una traccia di lega metallica). Il corpo metallico e gli estensimetri sono opportunamente assemblati. Gli estensimetri abilmente posizionati all interno del corpo metallico sono in grado di seguire la deformazione del corpo metallico modificando di conseguenza la propria resistenza elettrica. Vediamo in che modo
Dispositivo sensoriale: Cella di carico Parte 1: Teoria sul principio di funzionamento Parte 2: Caratterizzazione metrologica
Parte 1 Teoria sul principio di funzionamento
Sensore di Forza Le misure delle grandezze fisiche si possono effettuare in due modi. Misure dirette: sono le misure che si effettuano per confronto tra la grandezza data e un campione dell unità di misura. Misure indirette: sono quelle in cui la misura di una grandezza fisica viene ricavata tramite operazioni matematiche a partire da misure diverse precedentemente effettuate. La cella di carico è un sensore in grado di effettuare misure indirette di Forza, in particolare permette di trasdurre una Forza in un segnale elettrico.
Forza Deformazione Tensione Forza Trasduttore Strain Sensore Tensione F Per trasdurre la deformazione in tensione abbiamo bisogno di un estensimetro incollato al corpo in deformazione. F ɛ V V
Forza Deformazione Forza Trasduttore Strain Lo strain del corpo metallico risulta pari a: A F
Deformazione Tensione (1) Strain Sensore Tensione
Deformazione Tensione (2) Differenziando l equazione della resistenza elettrica del filo metallico che costituisce l estensimetro otteniamo: Trascurando la variazione della resistività (la variazione della resistività in base alla temperatura dipende dalla natura del materiale, ipotizziamo quindi che si utilizzi un materiale poco sensibile alla temperatura) Considerando il filo metallico dell estensimetro come un corpo cilindrico sottoposto ad una forza longitudinale, esso subisce un aumento della sua sezione proporzionale allo strain longitudinale secondo la seguente relazione:
Deformazione Tensione (3) Possiamo adesso riscrivere la variazione della resistenza dell estensimetro come: La variazione della resistenza dello strain gauge risulta così legata alla forza applicata al corpo metallico della cella di carico:
Principio di funzionamento Nella cella di carico, gli estensimetri seguono le deformazioni della superficie della cella di carico a cui sono incollati, allungandosi ed accorciandosi insieme ad essa; Queste variazioni dimensionali, causano una variazione della resistenza elettrica, che attraverso il collegamento a " Ponte di Wheatstone ", viene convertita in un segnale elettrico proporzionale normalmente espresso in mv (millesimi di Volt). La cella di carico comprende quattro estensimetri posti lungo l anello della cella. La forza F provoca un allungamento degli estensimetri R2 e R4 ed una compressione degli estensimetri R1 e R3. Questa configurazione del ponte è tale da dare la massima variazione di tensione a seguito dell applicazione del carico, mentre lo sbilanciamento dovuto alla variazione di temperatura è minimo. Nel caso in cui i 4 estensimetri hanno la stessa resistenza in condizioni di riposo, otteniamo una tensione in uscita pari a:
Applicazioni Nel campo della pesatura con celle di carico si va dai microgrammi (milionesimi di grammo) alle tonnellate. Le applicazioni più comuni sono: rilevazione/misura di sforzi meccanici pesatura di autocarri, vagoni ferroviari e navi pesatura di tramogge e serbatoi grandi scale e gru dosaggio di prodotti alimentari per confezionamento in ambito industriale controllo del peso come verifica qualità (ad es. in campo farmaceutico) automobili, banchi prova, banchi revisioni auto...
Tipologie In funzione del tipo di sollecitazione a cui esse sono soggette esistono celle di carico del tipo: a compressione a trazione a trazione/compressione a flessione.
La nostra cella di carico
Parte 2 Pianificazione attività sperimentale
Setup sperimentale Il setup sperimentale è costituito dai seguenti dispositivi: cella di carico (C) alimentatore (A) multimetro (M) pesi in ghisa (P) La suddetta strumentazione è collegata in modo opportuno come vedremo anche in laboratorio. A M C
Calibrazione Calibrazione in Forza Peso Sensibilità Operazione preliminare: collegare tra di loro i dispositivi in modo opportuno ed accendere la strumentazione (alimentatore e multimetro) 1. leggere il valore in tensione sul multimentro quando sulla cella non viene applicato nessun peso 2. Leggere il valore in tensione sul multimentro quando sulla cella viene applicato un peso P1 Ptot= P1 3.leggere il valore in tensione sul multimentro quando sulla cella viene aggiunto un ulteriore peso P2 Ptot= P1+ P2 4. Ripetere la procedura fino a Pn Ptot= P1+ P2 + + Pn P = 0 V= Vout 0 P = P1 V= Vout 1 P = P2 V= Vout 2 P = Pn V= Vout n A M A M A M A M C P1 C C P2 P1 C Pn P2 P1 Calcolare le variazioni di tensione ΔV1= Vout 1 Vout 0 ΔV2= Vout 2 Vout 0 ΔVn= Vout n Vout 0
Calibrazione (2) Riportare su un grafico: le variazioni di tensione calcolate precedentemente rispetto ai pesi utilizzati; l interpolazione dei dati ; calcolare l inverso del coefficiente angolare della retta di interpolazione V (V) β = coefficiente angolare Vn V2 V 1 β 0 F1 F2 Fn F(N)
Isteresi Si parla di isteresi quando la caratteristica del trasduttore è differente nei casi in cui il segnale sia in crescita e quello in cui il segnale sia in diminuzione. Applicazione del peso (Salita) Rimozione del peso (Discesa) Errore di isteresi in % Vn(s) Vn(d ) Media( Vn(s), Vn(d )) 100 F1 F2 Fn F(N)
Ripetibilità Per ogni forza peso F applicata sulla cella di carico, calcolare la variazione di tensione per un numero di prove pari a m Calcolare media (μ) e deviazione standard relativa percentuale (RDS) per ogni forza peso applicata dove RDS=100 X dev.std./media F1 (N) F2 (N) Fn (N) Vn V 1 V 2 [μ(1),rds(1)] [μ(2),rds(2)] [μ(n),rds(n)] Calcolare la deviazione standard relativa percentuale (RDS) totale come: Somma(RDS _1, RDS _ 2,..., RDS _ n) n
Grazie per l attenzione