Celle di carico analogiche e digitali per sistemi di pesatura industriale

Introduzione alle celle di carico industriali

Le celle di carico industriali sono sensori che misurano la forza peso di un oggetto e la trasformano in un segnale elettrico proporzionale. In pratica, sono i “trasduttori di forza” alla base di tutti i sistemi di pesatura industriale, dall’automazione alimentare alla logistica. A differenza delle bilance domestiche, questi sensori di peso per impianti industriali sono progettati per ambienti gravosi e applicazioni di produzione: devono garantire alta precisione, robustezza e resistere a condizioni difficili (polvere, umidità, vibrazioni, carichi elevati, ecc.). In un contesto industriale, le celle di carico sono essenziali in moltissimi settori – ad esempio alimentare, chimico, farmaceutico, manifatturiero, logistico – per pesatura automatica in linee di confezionamento, controllo inventari in silos, monitoraggio di processi di produzione e altro ancora.

In questo articolo forniremo una panoramica tecnica su cosa sono e come funzionano le celle di carico, distinguendo tra tecnologie analogiche e digitali, e approfondiremo le diverse tipologie meccaniche (compressione, trazione, flessione, taglio, torsione). Discuteremo inoltre i materiali costruttivi (acciaio legato, celle in acciaio inox, alluminio), le forme comuni (a doppia flangia, a “S”, single point, beam), gli ambiti applicativi e i criteri da considerare per selezionare la cella di carico più adatta alle proprie esigenze industriali. L’obiettivo è offrire un riferimento chiaro e utile, con un linguaggio tecnico ma accessibile, a supporto di scelte informate nella progettazione di sistemi di pesatura industriale.

Principio di funzionamento estensimetrico

La maggior parte delle celle di carico industriali utilizza il principio estensimetrico. Una cella di questo tipo è composta da un corpo metallico elastico (di solito acciaio o alluminio) sul quale sono incollati quattro estensimetri (anche detti strain gauge) collegati a formare un circuito a ponte di Wheatstone. Quando si applica un carico, il corpo della cella si deforma elasticamente di una quantità microscopica e, di conseguenza, gli estensimetri si allungano o si comprimono insieme ad esso. Queste minuscole deformazioni (nell’ordine dei micron) causano una variazione delle resistenze elettriche degli estensimetri: quelli che si allungano vedono aumentare la propria resistenza, quelli compressi la vedono diminuire.

Il ponte di Wheatstone consente di convertire la variazione di resistenza totale in un segnale elettrico (una differenza di potenziale in millivolt) proporzionale alla forza applicata. In condizioni normali, il segnale di uscita di una cella di carico estensimetrica è molto basso (tipicamente pochi millivolt per volt di alimentazione, es. 2 mV/V) e necessita di amplificazione o conversione per poter essere utilizzato dal sistema di pesatura. Da qui nasce la distinzione tra celle analogiche e digitali, in base a dove avviene la conversione del segnale.

Celle di carico analogiche vs digitali

Le celle di carico analogiche e digitali si basano sul medesimo principio fisico di misura (gli estensimetri incollati su un elemento elastico), ma differiscono per l’elettronica associata e il tipo di segnale in uscita. In una cella analogica classica, il ponte estensimetrico fornisce in uscita un segnale analogico in millivolt proporzionale al peso; questo segnale viene poi inviato a un indicatore o trasmettitore di peso esterno che esegue la conversione analogico-digitale (A/D) e mostra il valore del peso. La cella analogica in sé funge quindi “solo” da sensore e richiede un’elettronica esterna (il terminale di pesatura) che alimenta il ponte e ne legge l’output analogico. Nel caso di una cella di carico digitale, invece, l’elettronica di conversione A/D è integrata a bordo del sensore: la cella alimentata restituisce direttamente un valore numerico digitale tramite un’interfaccia (ad esempio RS485, CANopen, Modbus, ecc.), eliminando la necessità di un convertitore esterno. In pratica, una cella digitale può essere vista come una “cella intelligente” che combina il sensore estensimetrico e un modulo elettronico di acquisizione dati.

Segnale e precisione

Il vantaggio immediato di una cella digitale è la robustezza del segnale trasmesso. Un segnale analogico in mV è suscettibile a disturbi elettromagnetici e degradazione su lunghe distanze, richiedendo cavi schermati e attenzione nell’installazione. Al contrario, il segnale digitale (già convertito in numeri) è molto meno sensibile al rumore e può viaggiare su lunghe tratte senza perdita di integrità. Inoltre, a parità di portata, le celle di carico digitali consentono spesso una risoluzione maggiore (divisioni di peso più fini) rispetto alle analogiche tradizionali. Ciò significa sistemi di pesatura più precisi e capaci di rilevare variazioni di carico molto piccole. Le celle analogiche restano comunque molto accurate (tipicamente errori dello 0,03%–0,1% del fondo scala), ma i modelli digitali di alta gamma possono raggiungere accuratezze superiori e una stabilità a lungo termine migliore (grazie a tecniche di compensazione digitale di temperatura, creep, linearità, ecc.).

Diagnostica e manutenzione

Un’altra differenza cruciale sta nelle funzionalità di diagnostica. I sistemi con celle analogiche hanno un funzionamento piuttosto “trasparente”: se una cella si guasta o si sregola, il sintomo è un comportamento anomalo del sistema (ad esempio peso instabile, valori erratici o deriva del valore a piattaforma vuota). In tali casi è l’operatore a doversi accorgere del problema e chiamare l’assistenza; il tecnico dovrà poi effettuare misurazioni elettriche su ogni cella o sostituirle a rotazione, finché non individua l’elemento guasto. Questo processo può richiedere tempo e causare fermi macchina prolungati. Nei sistemi con celle digitali, invece, l’elettronica intelligente offre strumenti di diagnostica integrata: il terminale di pesatura è in grado di interrogare ciascuna cella individualmente, verificandone lo stato e segnalando immediatamente quale sensore presenta un’anomalia. Spesso è possibile leggere su PC o PLC i codici di errore specifici (es. cella fuori range, sovraccarico, errore di comunicazione) e anche tenere un log degli eventi. In questo modo la manutenzione risulta molto più rapida, limitando i tempi di fermo impianto. Alcuni sistemi permettono addirittura la diagnostica da remoto: tramite rete, un tecnico può monitorare le celle e prevenire guasti analizzando eventuali drift o segnali di allerta inviati dal sistema, pianificando la sostituzione di una cella prima che questa fallisca completamente.

Compatibilità e installazione

Le celle analogiche hanno uscite standardizzate (ad esempio 2 mV/V) compatibili con praticamente tutti gli indicatori, amplificatori e PLC predisposti per celle di carico. Ciò significa che è relativamente semplice combinare celle e strumentazione di diversi costruttori, collegando più celle in parallelo tramite una cassetta di giunzione (sommando i segnali) e usando un unico indicatore. Le celle digitali, d’altro canto, richiedono dispositivi di lettura compatibili con il loro protocollo di comunicazione: spesso conviene utilizzare celle e indicatore della stessa marca, oppure interfacce universali (es. Modbus RTU su RS485) se supportate. In fase di installazione di sistemi a più celle, la tecnologia digitale semplifica l’equalizzazione: ogni cella trasmette il proprio peso e il sistema può compensare automaticamente eventuali piccoli disallineamenti (ad esempio, in una bilancia a 4 celle digitali non serve la laboriosa calibrazione manuale delle uscite delle celle come avviene per le analogiche). Di contro, il cablaggio di una rete digitale di celle può richiedere una configurazione iniziale (assegnazione di indirizzi, verifica della comunicazione) e l’alimentazione deve garantire corrente sufficiente per l’elettronica di ogni cella.

Costo

In termini di costo, generalmente una cella analogica è più economica della corrispondente cella digitale. Le celle analogiche hanno una costruzione più semplice (solo parte meccanica e strain gauge), mentre le celle di carico digitali integrano anche componenti elettronici (convertitore A/D, microcontrollore, interfacce) che ne aumentano il prezzo. Per applicazioni di base o budget ristretti, le analogiche rappresentano spesso la scelta più conveniente. Tuttavia, bisogna considerare il costo totale del sistema: ad esempio, l’uso di celle digitali può ridurre i tempi di fermo e i costi di manutenzione grazie alla diagnostica avanzata, e in sistemi multi-cella può evitare l’acquisto di indicatori di alta qualità (basta un semplice collegamento digitale al PLC). In sintesi, le celle analogiche offrono economicità e semplicità, mentre le digitali offrono prestazioni e funzionalità avanzate a fronte di un investimento iniziale superiore. La scelta dipenderà quindi dalle esigenze specifiche di precisione, complessità dell’impianto e budget.

Classificazione delle celle di carico per sollecitazione meccanica

Un modo comune di classificare le celle di carico è in base al tipo di sollecitazione meccanica per cui sono progettate. Il tipo di forza che il sensore deve misurare (compressione, trazione, flessione, taglio o torsione) influenza la forma del corpo elastico e la modalità di installazione. Di seguito descriviamo le categorie principali di celle estensimetriche con alcuni esempi applicativi per ciascuna:

• Celle a compressione: progettate per lavorare sotto carico compressivo, cioè schiacciate dal peso. Tipicamente hanno forma a “disco” o a “colonna” e vengono posizionate sotto il componente da pesare (serbatoio, struttura, piattaforma, etc.). Quando viene applicato un peso verticalmente sulla cella, questa si comprime impercettibilmente in altezza, permettendo agli estensimetri di rilevare la deformazione. Le celle a compressione sono molto utilizzate in piattaforme di pesatura, serbatoi su celle, sili appoggiati a terra e pese a ponte. Per esempio, bilance industriali a piattaforma e sistemi di pesatura di silos con supporti dotati di celle a compressione sfruttano questa tecnologia. Il design spesso include un piattello o un elemento convesso sulla sommità per assicurare che il carico sia applicato nel punto giusto anche se c’è un leggero disallineamento. Capacità tipiche: da pochi chili (celle a bottone in miniatura) fino a svariate tonnellate (celle a colonna per autocarri).

• Celle a trazione: progettate per misurare forze di trazione, ossia quando la cella viene tirata o messa “in tensione” dal carico. Hanno spesso forma a “S” (celle a S) o a barra con fori filettati alle estremità per applicare la forza tirante. Vengono usate quando il peso da misurare è sospeso invece che appoggiato: ad esempio in bilance sospese, dinamometri, gru pesatrici, sistemi di sollevamento o silos appesi. Una cella a trazione lavora allungandosi leggermente sotto il peso, con due punti di fissaggio (uno in alto, uno in basso) che vengono tirati. Alcuni modelli a trazione hanno profilo a “S” e infatti comunemente si parla di “celle a S” per indicare sensori di questo tipo. Esempi applicativi: controllo del peso in tramogge sospese, bilance aeree in macelli, misura della tensione in funi o cavi, limitatori di carico per carriponte. In un impianto, se i carichi da pesare sono sospesi, quasi sempre si impiegano celle a trazione dedicate, spesso installate in gruppi (più celle in parallelo) per sostenere uniformemente il peso. Questi sensori possono anche essere usati “al contrario” in compressione (molte celle a S reggono sia trazione che compressione), ma danno il meglio nelle applicazioni di tiro.

• Celle a flessione: sfruttano la flessione di un elemento a mensola (cantilever) quando sottoposto a un carico perpendicolare. Sono in genere costituite da una barra metallica fissata da un lato e libera dall’altro: il carico applicato sul lato libero fa flettere leggermente la barra. Nella parte opportunamente indebolita (ad esempio con intagli o fori) si concentra la deformazione misurata dagli estensimetri. Le celle a flessione, chiamate anche bending beam, sono molto diffuse per piccoli e medi carichi, grazie alla loro semplicità costruttiva e versatilità. Un caso particolare è la cella single point (a punto singolo): una cella a flessione progettata per essere montata sotto il piatto di una bilancia monopunto (ad esempio le bilance da negozio o le bilance contapezzi). Le celle single point hanno una geometria a parallelogramma che consente di compensare i carichi eccentrici, ovvero pesare correttamente anche se l’oggetto non è perfettamente centrato sul piatto . Questo le rende ideali per piattaforme di pesatura medio-piccole (da alcuni etti a poche centinaia di kg) come bilance da banco, pese a nastro, sistemi di confezionamento e macchine dosatrici. Le celle a flessione standard (non single-point) spesso lavorano in gruppi: ad esempio quattro celle a flessione agli angoli di una piattaforma creano una bilancia a quattro appoggi. In tal caso è necessaria una cassetta di giunzione per sommare i segnali e un calibratore per bilanciare l’uscita di ogni cella. Applicazioni comuni: pese a nastro, riempitrici e confezionatrici (celle single-point montate sotto piccoli piatti), bilance da pavimento a basso profilo, sistemi di dosaggio a batch.

• Celle a taglio (shear beam): simili alle celle a flessione ma progettate per misurare la deformazione a taglio anziché la flessione pura. La geometria è di solito a trave con fori passanti vicino ai punti di fissaggio che creano una zona di taglio ben definita. Quando si applica un carico verticale, la trave subisce una leggera distorsione (taglio) invece di piegarsi nettamente. Le celle a taglio presentano un’ottima linearità e resistenza ai carichi laterali, e sono tra le più impiegate in ambito industriale per medie e alte capacità. Vengono montate tipicamente in configurazione a sbalzo: un’estremità fissata alla struttura, l’altra sotto il piano di carico. Spesso includono filettature o piastre per semplificare il montaggio. Applicazioni: piattaforme di pesatura a 4 celle (dove ogni cella è una shear beam sotto ciascun piede della piattaforma), sistemi di pesatura di silos e serbatoi di medio-grandi dimensioni, pese pallet, bilance a ponte modulari di piccola portata. Esistono anche versioni a doppio taglio (double-ended shear beam), dove la cella è supportata a entrambe le estremità e caricata al centro: queste hanno simmetria maggiore e supportano carichi più elevati con grande accuratezza, risultando adatte per pese a ponte per automezzi e silos di elevata portata.

• Celle a torsione: in queste celle la misura si basa su una deformazione torsionale (torsione di un corpo ad anello o disco) anziché sulla flessione o sul taglio di una barra. Un esempio tipico sono le celle a torsione ad anello: hanno la forma di un disco con un foro centrale e lavorano misurando la torsione dell’anello quando sottoposto a carico. Questa tecnologia, combinata con speciali estensimetri a forma di anello, consente di ottenere sensori estremamente robusti e precisi anche per carichi molto elevati. Le celle a torsione ad anello presentano spesso un profilo basso e una costruzione simmetrica, che le rende poco sensibili ai carichi fuori asse o alle forze laterali. Vengono impiegate in applicazioni gravose: pese a ponte di grande portata (camion e carri ferroviari), sistemi di pesatura per sili da centinaia di tonnellate, bilance industriali a piattaforma di alta capacità. Ad esempio, esistono modelli di celle a torsione ad anello capaci di misurare fino a 470 tonnellate su un singolo sensore, ideali per pese a ponte multi-asse. Un altro utilizzo della torsione è in alcuni torsiometri (per misurare coppie meccaniche), ma in tal caso si parla di sensori di coppia più che di peso. In ambito puramente di pesatura, le celle a torsione sono una nicchia per applicazioni speciali di alta portata o dove è richiesta massima immunità a sollecitazioni non assiali.

Materiali impiegati nelle celle di carico

Le celle di carico estensimetriche possono essere realizzate con diversi materiali metallici, la cui scelta influenza resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, peso e costo del sensore. I materiali più comuni per il corpo (elemento elastico) di una cella di carico sono:

• Acciaio legato nichelato

Si tratta di acciai legati ad alta resistenza (spesso leghe tipo AISI 4140 o 4340) che vengono rivestiti con uno strato di nichelatura per proteggerli dalla corrosione. L’acciaio legato (detto anche “acciaio speciale”) è di gran lunga il materiale più usato per celle di carico da uso generale: offre un ottimo compromesso tra robustezza meccanica, costo relativamente basso e buona lavorabilità. La nichelatura è essenziale poiché questi acciai, se lasciati non trattati, arrugginirebbero rapidamente (il rivestimento galvanico di nichel previene l’ossidazione). Le celle in acciaio nichelato sono adatte ad ambienti generici non estremamente corrosivi o umidi, come magazzini, impianti di produzione asciutti, pese a ponte standard. Hanno alta resistenza alla fatica e possono sostenere carichi importanti. Sono leggermente meno costose delle celle in acciaio inox.

• Acciaio inossidabile (inox)

Molte celle industriali, specialmente per ambienti gravosi, sono costruite in acciaio inox, in particolare leghe come 17-4 PH (AISI 630) o AISI 420. L’acciaio inox 17-4 PH è considerato uno dei migliori materiali per celle di carico grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione e buone proprietà meccaniche; è però anche il più costoso. L’AISI 420 offre una resistenza meccanica ancora superiore (più duro) ma con resistenza alla corrosione un po’ inferiore rispetto al 17-4 PH; risulta comunque spesso sufficiente per ambienti umidi normali ed ha un costo più contenuto. In generale, le celle in acciaio inox sono la scelta obbligata per settori come alimentare, chimico e farmaceutico, dove i sensori devono sopportare lavaggi frequenti, contatto con sostanze corrosive o ambienti esterni. Spesso queste celle sono saldate ermeticamente e garantiscono alti gradi di protezione (IP67, IP68, IP69K) per impedire infiltrazioni di acqua e polveri. L’inox mantiene le prestazioni anche con sbalzi termici e ha una lunga durata operativa. Il rovescio della medaglia è il costo più elevato rispetto ad altre soluzioni, giustificato però dalla maggiore affidabilità in condizioni estreme.

• Lega di alluminio

L’alluminio viene impiegato per celle di carico di bassa portata e in applicazioni dove peso ridotto e costo contenuto sono prioritari. In particolare, si usano leghe di alluminio ad alta resistenza tipo avional (la stessa usata in campo aeronautico). Le celle in alluminio hanno il vantaggio di essere leggere (facili da trasportare e installare) e facilmente lavorabili anche con geometrie complesse. Sono tipicamente celle a basso carico nominale (da pochi grammi a qualche centinaio di kg) come le single-point per bilance retail, sensori per dinamometri portatili, celle per bilance conta pezzi, ecc. L’alluminio tollera bene ambienti asciutti e moderatamente umidi, ma non è adatto ad ambienti corrosivi o molto umidi a meno di protezioni specifiche, poiché può ossidarsi o indebolirsi. Spesso le celle in alluminio sono dotate di rivestimenti protettivi (verniciatura, anodizzazione) per migliorarne la resistenza agli agenti atmosferici. Pur essendo meno robuste dell’acciaio, in molte applicazioni leggere rappresentano la soluzione più economica. Ad esempio, la gran parte delle celle off-center (single point) montate nelle bilance da negozio o nei checkweigher di piccola portata è in lega di alluminio, per sfruttarne leggerezza e costo ridotto.

In sintesi, la scelta del materiale va fatta considerando l’ambiente operativo e i requisiti di prestazione: l’acciaio inox è preferibile in ambienti corrosivi, bagnati o con stringenti esigenze igieniche (ad es. produzione alimentare con lavaggi CIP); l’acciaio legato nichelato è ottimo per applicazioni industriali generali dove serve robustezza e un buon rapporto qualità-prezzo; l’alluminio è ideale per celle di bassa capacità, portatili o per apparecchiature dove il peso contenuto del sensore è importante. Ogni materiale ha proprietà specifiche in termini di resilienza (capacità di deformarsi elasticamente senza danni permanenti), stabilità termica, creep (deriva sotto carico prolungato) e isteresi, quindi la scelta deve tenere conto anche delle specifiche tecniche fornite dal produttore per assicurare che la cella soddisfi le condizioni d’uso previste.

Forma, geometria e montaggio delle celle di carico

La forma meccanica di una cella di carico non è casuale: al contrario, è progettata accuratamente per influenzare la sensibilità, la direzionalità e la facilità di installazione del sensore. La geometria determina come la forza viene trasferita agli estensimetri e quanto la cella è sensibile a forze indesiderate (come carichi laterali, torsioni o momenti flettenti non voluti). Ecco alcune forme e design comuni:

• Celle a doppia flangia

Sono celle dotate di due flange di montaggio (una superiore e una inferiore), in modo da poterle imbullonare facilmente fra due strutture. Questo design è spesso utilizzato in celle a compressione e trazione (chiamate anche “universali”) che devono essere installate in linee di macchine o sistemi di prova. Ad esempio, una cella a doppia flangia può essere inserita tra la base di una pressa e l’elemento mobile, per misurare la forza applicata in entrambe le direzioni. Le flange garantiscono un fissaggio robusto e allineato, e semplificano la sostituzione del sensore in caso di manutenzione. La geometria flangiata assicura anche che la direzione della forza sia ben definita lungo l’asse della cella. Queste celle tendono ad avere un profilo cilindrico o a disco con fori simmetrici per i bulloni.

• Celle a “S”

Come accennato, hanno la caratteristica forma ad “S” e presentano in alto e in basso un foro filettato o un gancio per applicare la forza. La loro geometria è pensata per lavorare in trazione (e compressione) mantenendo il corpo centrale allineato. La parte centrale della “S” ospita gli estensimetri e si deforma a forbice quando la cella viene tirata. Le celle a S sono apprezzate perché forniscono un punto di attacco semplice per carichi sospesi (ad esempio si possono collegare a catene, tiranti o attacchi a occhio). La forma a S è intrinsecamente simmetrica, il che significa che la cella reagisce in modo simile sia se tirata dall’alto che spinta dal basso, rendendola adatta a misurare sia tensione che compressione con buona linearità. Inoltre, la sagoma a S compatta aiuta a ridurre l’effetto di momenti flettenti indesiderati: gran parte della deformazione misurata proviene dalla sezione centrale e non dai punti di attacco. Questi sensori sono molto diffusi come limitatori di carico su paranchi e gru, celle per bilance sospese e applicazioni di pesatura in sospensione.

• Celle single point (off-center)

Hanno tipicamente forma rettangolare allungata, con fori di fissaggio alle estremità e zona di carico al centro. La loro particolarità è la già citata capacità di compensare i carichi non perfettamente centrati sul piatto . Ciò è ottenuto tramite un design a parallelogramma: la cella presenta intagli e sezioni di flessione multiple che creano un sistema in cui la somma delle deformazioni resta costante indipendentemente da dove si trova il peso sul piatto (entro certi limiti di decentramento). In pratica, il piatto viene avvitato alla cella e la cella “media” le forze in modo da dare un output di peso stabile anche se l’oggetto è spostato rispetto al centro. Questa caratteristica le rende ideali per bilance monopianataforma come bilance contapezzi, bilance da cucina industriali, sistemi di dosaggio a singolo contenitore, checkweigher compatti, ecc. Le single point sono quasi sempre in alluminio (per facilitare lavorazione e sensibilità) e coperte da soffietti o coperture per proteggere i gauge. Ogni single point ha una dimensione massima del piatto consigliata: oltre tale area, il decentramento eccessivo potrebbe introdurre errori. Montare correttamente il piatto (rigido e ben fissato) è cruciale per il buon funzionamento di queste celle.

• Celle a mensola e a doppia mensola (beam)

Queste celle hanno forma a trave. Le single-ended beam (mensola semplice) sono fissate da un lato e caricate dall’altro, mentre le double-ended beam (doppio appoggio) sono supportate a entrambe le estremità e caricate al centro. Nella variante a mensola semplice, la cella spesso include un foro passante all’estremità libera dove applicare il carico (ad esempio tramite un elemento a pendolo, una sfera o un piattello caricatore). Nella variante a doppio appoggio, la cella può avere due punti di fissaggio esterni e il carico introdotto da un cavallotto centrale. La geometria a beam è utile per installazioni sotto serbatoi e piattaforme: ad esempio, celle a doppio taglio (double-ended shear beam) sono usate nelle pese a ponte montandole tra struttura e piattaforma, con kit di montaggio che includono snodi o pendoli per garantire che la forza sia verticale anche in presenza di dilatazioni o movimenti. Queste celle offrono un profilo basso e sono relativamente facili da montare in parallelo. La forma allungata le rende più sensibili ai carichi applicati nella direzione corretta, ma richiede l’uso di accessori anti-oscillazione e vincoli anti-rotazione per evitare che movimenti laterali o colpi possano danneggiarle. Per questo, spesso si vendono assieme kit di montaggio con piastre, vincoli e dispositivi di sicurezza.

In generale, i produttori progettano la forma della cella di carico per ottimizzare la misura nella direzione voluta e minimizzare l’effetto delle forze indesiderate. Ad esempio, celle a colonna e a disco hanno superfici di carico sferiche o arrotondate per auto-allinearsi sotto carico (così piccoli angoli non introducono errori); celle a torsione ad anello sono simmetriche per cancellare l’effetto di forze laterali; celle a taglio integrano intagli che concentrano la deformazione solo in una regione, isolandola dal resto della struttura. Quando si seleziona una cella, è importante assicurarsi che la geometria sia adatta al tipo di montaggio previsto: ad esempio, una cella a compressione richiede una base d’appoggio piana e rigida; una cella a trazione necessita di golfari o attacchi idonei; una single point va montata sotto un piatto di dimensioni entro i limiti specificati; una cella a taglio deve essere abbinata a piastre di carico che ne garantiscano la corretta applicazione della forza. Molti produttori offrono accessori di montaggio (piastre, piedi snodati, supporti antivibrazione, barre di limitazione) per assicurare che la cella lavori nelle condizioni ottimali e per proteggere il sensore da sovraccarichi accidentali o urti.

Ambiti applicativi industriali delle celle di carico

Le celle di carico trovano impiego in un’enorme varietà di applicazioni industriali, ovunque vi sia la necessità di pesare, dosare o monitorare forze e carichi. Di seguito alcuni ambiti applicativi trasversali ai vari settori:

• Impianti di confezionamento e dosaggio automatico: nell’industria alimentare, farmaceutica e chimica, le celle di carico sono integrate in sistemi di pesatura automatica per garantire che ogni prodotto rientri nelle specifiche di peso. Ad esempio, in una riempitrice di liquidi, una cella di carico sotto il serbatoio di dosaggio misura in continuo la diminuzione di peso per controllare esattamente la quantità erogata in ogni bottiglia. Nei sistemi batch di miscelazione, più celle di carico sotto silos di ingredienti permettono di dosare solidi e liquidi nelle proporzioni richieste da una ricetta. Sulle confezionatrici e impacchettatrici, speciali celle di carico ad alta velocità (spesso celle di carico digitali) sono utilizzate per le selezionatrici ponderali (checkweigher): pesano ogni confezione in movimento sul nastro e scartano quelle fuori tolleranza . Queste applicazioni richiedono sensori rapidi e precisi, capaci di filtrare vibrazioni e rumore, e spesso con comunicazione digitale per integrarsi con il PLC di linea. Le celle single point in alluminio sono comuni nelle pesatrici multitesta e nei piccoli sistemi di riempimento, mentre per macchine di dosaggio più grandi (es. big-bag, fusti) si usano celle a compressione in acciaio.
• Gestione di silos, serbatoi e reattori industriali: nelle industrie di processo (alimentare, chimico, materie prime) è fondamentale tenere sotto controllo il contenuto di silos e serbatoi sia per dosare materie prime sia per inventario. Montando ogni silo su 3 o 4 celle di carico a compressione, si ottiene una “bilancia” che misura in tempo reale la quantità di materiale stoccato. Ciò consente, ad esempio, di dosare ingredienti in un mescolatore con elevata precisione o di sapere quanta materia prima è rimasta in un silo per pianificare i riordini. In ambienti del genere, si usano di solito celle a compressione in acciaio nichelato o inox, con elevato grado di tenuta (IP68) per resistere all’ambiente (polveri, lavaggi) e con accessori come piastre snodate e vincoli antisismici (in caso di serbatoi alti e ventosi). Anche i mescolatori e reattori possono essere montati su celle di carico per monitorare continuamente il peso durante reazioni chimiche o preparazioni alimentari (pensiamo a impastatrici industriali, reattori farmaceutici, fermentatori). Un vantaggio della pesatura su celle è che permette di misurare il contenuto senza contatto (diversamente dai flussimetri o misuratori di livello) e quindi funziona con qualsiasi materiale (solido, liquido, denso, schiumoso) senza dover toccare il prodotto.
• Logistica e movimentazione (pese a ponte, bilance industriali): il settore della logistica impiega le celle di carico per pesare merci e veicoli, garantendo controlli di peso accurati per spedizioni, stoccaggi e trasporti. Le pese a ponte per autocarri incorporano tipicamente 6–8 celle a compressione (a colonna o a doppio taglio) di alta capacità, montate sotto la piattaforma dove passano i camion. Queste celle, che possono avere portate di decine di tonnellate ciascuna, forniscono il peso totale del veicolo con precisione commerciale (spesso certificate OIML C3 o C6). Ad esempio, alcune celle a colonna in acciaio inox o nichelato possono supportare carichi enormi (fino a 50 tonnellate l’una) mantenendo accuratezza classe C3 per pese a ponte. Nelle bilance pallet o transpallet pesatori, piccole celle a taglio misurano il peso del bancale durante la movimentazione. I carrelli elevatori possono avere sistemi di pesatura integrati nelle forche (con celle a perno nel gruppo forca). Nei magazzini, piattaforme di pesatura a filo pavimento con 4 celle consentono di pesare pallet o container rapidamente. Perfino i veicoli industriali possono integrare celle (on-board weighing) per controllare il carico in tempo reale. In tutti questi casi, la robustezza e la resistenza agli urti sono fondamentali: le celle per uso logistico spesso includono dispositivi anti-sovraccarico e anti-urto, dato che i carichi possono essere posati bruscamente. Anche la tara (zero) deve rimanere stabile nonostante le variazioni termiche e l’usura nel tempo.
• Automazione industriale e controllo qualità: Al di là della pesatura pura, le celle di carico sono usate come sensori di forza in molte macchine automatiche. Ad esempio, in un impianto di assemblaggio, una cella di carico può misurare la forza di pressatura di un componente per verificare che sia inserito correttamente (controllo qualità in linea). Oppure in una macchina di collaudo materiale, più celle di carico misurano le forze applicate ai provini per determinarne le proprietà meccaniche. Nelle prove di trazione e compressione, celle di elevata precisione (spesso a doppia flangia o a S) rilevano i carichi per generare grafici tensione-deformazione del materiale. Nei test di chiusura tappi o avvitatura, piccole celle misurano la forza o la coppia applicata. Anche nelle macchine utensili a controllo numerico possono esserci celle di carico (ad esempio per sensori di sforzo di taglio, al fine di monitorare l’utensile). Nel settore tessile e cartario, celle a perno o a staffa misurano la tensione dei tessuti o della carta durante l’avvolgimento. Nel settore alimentare, i sistemi di ispezione combinata utilizzano celle di carico per checkweigher abbinate magari a metal detector o scanner a raggi X, garantendo che ogni confezione abbia il peso giusto e sia priva di contaminanti. Insomma, ovunque serva una misura di forza affidabile e convertibile in segnale elettrico, la cella di carico può essere l’elemento chiave.

Vale la pena notare che in molti di questi ambiti si stanno diffondendo sempre più le celle di carico digitali per i vantaggi discussi: ad esempio, nelle selezionatrici ponderali ad alta velocità (checkweigher) del settore alimentare, sensori digitali come la serie FIT di HBM offrono misure velocissime e accurate per seguire il ritmo di centinaia di pezzi al minuto ; nelle pese a ponte moderne, celle digitali con diagnostica permettono di rilevare subito se una cella si è guastata, evitando errori di pesatura potenzialmente costosi. Tuttavia, le celle analogiche rimangono uno standard affidabile e sufficiente per moltissimi impianti tradizionali, specialmente dove le condizioni non sono estreme e il budget è limitato.

Criteri di scelta della cella di carico

Per un cliente o un progettista di impianti, scegliere la cella di carico più adatta significa valutare una serie di criteri tecnici in base all’applicazione. Ecco i principali fattori da considerare:

• Portata nominale e sovraccarico

Bisogna determinare il carico massimo che la cella dovrà misurare (includendo eventuali sovraccarichi temporanei). È buona norma selezionare una cella con portata nominale almeno 1,2–1,5 volte superiore al peso massimo effettivo in condizioni normali, per avere un margine di sicurezza. Ad esempio, se un serbatoio può pesare 500 kg a pieno carico, una cella (o sistema di celle) da 600–750 kg garantirà che anche picchi o urti non la mandino fuori range. Attenzione anche al sovraccarico di rottura: di solito le celle sopportano ~200% del nominale prima di danneggiarsi, ma è bene non avvicinarsi troppo a quel limite. Se l’applicazione comporta urti o carichi dinamici, meglio ulteriore abbondanza.

• Tipo di sollecitazione e geometria appropriata

In base a come verrà applicata la forza, occorre scegliere il tipo di cella adatto (come descritto in precedenza). Per un serbatoio appoggiato a terra serviranno celle a compressione; per un dosatore appeso, celle a trazione; per una piccola bilancia da banco, una cella a flessione single-point; per un grosso silo, magari celle a colonna o a doppio taglio. Identificare la configurazione meccanica dell’impianto è il primo passo per restringere la scelta alle categorie corrette. Inoltre, bisogna accertarsi di avere lo spazio fisico per installare la cella e i suoi eventuali accessori di montaggio. Ad esempio, una cella a compressione richiede un certo spazio verticale e l’aggiunta di piastre sferiche o vincoli anti-ribaltamento; una cella a S richiede spazio per i tiranti sopra e sotto.

• Ambiente operativo (classe di protezione, materiale)

Le condizioni ambientali influiscono moltissimo sulla longevità e affidabilità della cella. Se l’impianto è all’aperto o sottoposto a lavaggi frequenti (es. industria alimentare con idropulitrici), è fondamentale una cella con grado di protezione IP68 o superiore, corpo ermeticamente saldato in acciaio inox e magari con connettori stagni. In ambienti chimici corrosivi, verificare la resistenza del materiale della cella alle sostanze (consultare tabelle di compatibilità chimica) – in alcuni casi l’acciaio inox 17-4 PH potrebbe essere attaccato da agenti molto aggressivi, rendendo necessaria una cella speciale rivestita o in altro materiale. Se l’ambiente è esplosivo (ATEX), bisognerà scegliere celle certificate ATEX/IECEx. Se ci sono forti campi elettromagnetici o radiativi, preferire celle con cavo schermato corto e magari considerare una cella digitale (meno sensibile al rumore). La temperatura è un altro fattore: ogni cella ha un range di temperatura operativa compensata – per ambienti molto caldi o molto freddi servono celle specifiche (ad es. celle high-temp fino a 150°C per forni, o low-temp per celle frigorifere). In generale, definire l’ambiente (umidità, polvere, lavaggi, corrosione, rischio esplosioni, temperature estreme, vibrazioni) guiderà la scelta verso celle in acciaio inox o altre soluzioni protette se necessario, oppure permetterà di usare celle standard più economiche in ambienti interni controllati.

• Precisione e classe di accuratezza

Ogni cella di carico ha specifiche metrologiche – errore combinato, ripetibilità, isteresi, creep, ecc. – che determinano la precisione raggiungibile. Per applicazioni commerciali (vendita a peso) sono richieste celle certificate secondo standard (OIML R60 in classi C3, C6, etc., dove C3 indica 3000 divisioni, C6 6000 divisioni, ecc.). Per applicazioni interne, potrebbe non servire una certificazione legale, ma comunque bisogna valutare la risoluzione e l’accuratezza desiderata. Se si deve pesare con precisione del grammo una quantità di 50 kg, serve un sistema con almeno 1/50000 di risoluzione, quindi celle e indicatori capaci di tale performance. Di solito le celle in commercio spaziano da classi di pochi millesimi fino a 0,02% o meglio del fondo scala. Scegliere una cella troppo “di base” rischia di non dare abbastanza accuratezza, mentre una cella eccessivamente precisa potrebbe costare molto e non essere pienamente sfruttata. È importante anche considerare il minimo carico misurabile (nelle specifiche talvolta indicato come Min LC o Min div per OIML): sotto un certo valore le incertezze aumentano. In sistemi multi-cella, la precisione combinata dipenderà anche dall’equalizzazione tra celle – nelle analogiche ciò impone un’accurata calibrazione in campo, nelle digitali viene facilitato dalla taratura individuale di fabbrica. In sintesi, occorre allineare le specifiche della cella ai requisiti metrologici dell’applicazione, tenendo un margine di sicurezza.

• Compatibilità con indicatori o PLC o DCS

Se si integra la cella in un sistema esistente, verificare che l’elettronica di lettura supporti quella cella. Per le analogiche: controllare che l’indicatore possa alimentare il numero di celle in parallelo previsto (es. un indicatore 24V 4×350Ω), che abbia l’ingresso adatto (6 fili se la cella è a 6 fili, oppure 4 fili con compensazione nel cavo). Per le digitali: assicurarsi che il protocollo sia supportato (es. alcune celle digitali usano protocolli proprietari, altre Modbus, altre CANopen; il PLC deve poter comunicare via porta seriale o gateway). Inoltre, pensare alla risoluzione dell’indicatore: se si monta una cella molto precisa ma l’indicatore ha solo 10000 divisioni interne, la lettura sarà limitata da quest’ultimo. In caso di retrofit di impianti, a volte la scelta ricade su celle analogiche compatibili con i vecchi indicatori, per evitare di dover sostituire l’elettronica di controllo. Viceversa, per nuovi impianti Industry 4.0, può convenire optare per celle digitali con bus di campo per dialogare direttamente col PLC.

• Dimensioni meccaniche e installazione

Ogni cella viene fornita con un datasheet che include disegni dimensionali. È fondamentale verificare che la cella stia fisicamente nell’alloggiamento previsto e che sia possibile montarla correttamente. Ad esempio, se devo inserire una cella sotto un macchinario esistente, devo verificare l’altezza e l’impronta a terra della cella, l’eventuale necessità di piastre aggiuntive, lo spazio per i cavi. Considerare anche come sarà effettuata la manutenzione/sostituzione: è possibile rimuovere la cella senza smontare metà impianto? Spesso si scelgono celle con attacchi standard o accessori che facilitano queste operazioni (ad es. celle a perno come spinotti rimovibili, oppure celle a compressione con piedini regolabili). Inoltre, valutare se servono accessori: piedini snodati per compensare piccole non-planarità, vincoli anti-sollevamento per serbatoi (che impediscono al serbatoio di ribaltarsi se viene scaricato solo da un lato), tiranti di sicurezza nel caso di celle a trazione (che trattengono il carico se la cella dovesse rompersi), ecc. Questi elementi garantiscono sia la sicurezza sia la durata della cella evitando sollecitazioni indesiderate.

In conclusione, la scelta della cella di carico ideale richiede un approccio olistico: caratteristiche del carico, ambiente, precisione e integrazione vanno bilanciati. È spesso utile consultare i fornitori o utilizzare guide tecniche specifiche, inserendo i dati applicativi per farsi consigliare il modello migliore. Un buon progetto di pesatura parte sempre dall’analisi dei requisiti e dalla selezione corretta del sensore primario – la cella di carico – attorno a cui poi costruire il resto del sistema (indicatore, struttura meccanica, software di supervisione, ecc.).

Esempi di casi d’uso industriali

Per rendere più concreti i concetti esposti, vediamo alcuni casi d’uso reali dove le celle di carico giocano un ruolo chiave:

• Dosaggio di ingredienti in un impianto alimentare: Un produttore di succhi di frutta utilizza un sistema di serbatoi montati su celle di carico per automatizzare le ricette. Ogni serbatoio (da 1000 litri) è supportato da 3 celle a compressione in acciaio inox IP68, collegate a un indicatore digitale. Quando si deve preparare una miscela, il PLC legge in tempo reale il peso nei vari serbatoi: ad esempio, apre una valvola finché dalla cella di carico del serbatoio dello zucchero non risulta che sono stati scaricati esattamente 100 kg. Allo stesso modo controlla gli aromi e i succhi concentrati. Le celle forniscono un feedback immediato e preciso, permettendo di ottenere sempre la stessa concentrazione con un errore inferiore a 0,5 kg su 500 kg totali (precisione 0,1%). Il sistema è integrato in rete, e tramite la diagnostica digitale il manutentore può controllare dallo SCADA se tutte le celle sono funzionanti. Questo ha ridotto gli errori umani e migliorato la tracciabilità (ogni batch ha i dati di peso registrati).

• Pesatura di un nastro trasportatore in un impianto di calcestruzzo: In un sito di produzione di cemento preconfezionato, occorre misurare la quantità di ghiaia e sabbia che viene caricata in mescolatore. Anziché pesare ogni secchiata, si è installato un nastro trasportatore dosatore sospeso tramite celle di carico a trazione. Il nastro (lungo 5 metri) è agganciato al soffitto con 4 celle a S da 2 tonnellate l’una. Quando i nastri alimentano gli inerti, il controllo legge dalle celle il peso del materiale presente sul nastro in un dato momento. Integrando nel tempo il flusso, il sistema sa quanti kg sono passati e interrompe l’alimentazione al raggiungimento del setpoint (ad es. 500 kg di ghiaia). Questo è un tipico caso di pesatura in continuo, dove le celle lavorano con carico variabile dinamico. Le celle a S scelte sono in acciaio nichelato con uscita analogica, collegate a un trasmettitore 4-20 mA che invia il segnale al PLC. Grazie al montaggio sospeso, il nastro stesso funge da bilancia senza bisogno di pesare batch fermi. L’accuratezza ottenuta è di circa ±1%, più che sufficiente per il processo di betonaggio. Inoltre, le celle fungono da dispositivo di sicurezza: se il nastro rileva un peso anomalo (es. un blocco), il sistema ferma i motori per evitare danni.

• Pesa a ponte per autocarri in un impianto di logistica: Un’azienda di logistica ha installato una nuova pesa a ponte per controllare i camion in ingresso e uscita dal magazzino. La bilancia è lunga 18 metri e ha 6 celle di carico a colonna da 30 tonnellate ciascuna, in acciaio speciale nichelato, certificate OIML C3. Ogni cella è posizionata in corrispondenza di una “culla” sotto la piattaforma. Il terminale di pesatura raccoglie i segnali analogici delle 6 celle (tramite una cassetta di giunzione che equalizza le uscite) e visualizza il peso con divisione 20 kg su un fondo scala di 60 ton (3000 divisioni, in linea con la classe C3). Durante l’installazione, il sistema è stato calibrato con pesi campione certificati. Le celle a colonna scelte hanno un design a superficie convessa e sono abbinate a piastre di carico oscillanti, che garantiscono la distribuzione uniforme del carico anche se il camion non è perfettamente centrato. Per proteggere l’investimento, la pesa è dotata di sensori di movimento e finecorsa che prevengono spostamenti eccessivi della piattaforma in caso di frenate brusche dei mezzi. In caso di guasto di una cella (ad esempio per un fulmine o sovraccarico estremo), il sistema mostra un allarme di peso errato e l’azienda sa di dover intervenire: grazie alla modularità, può sostituire rapidamente la cella danneggiata senza rimuovere l’intera piattaforma. Questa pesa a ponte ha velocizzato le operazioni di carico/scarico e garantito che i camion non escano sovraccarichi (evitando sanzioni e rischi su strada).

Oltre a questi esempi, se ne potrebbero citare molti altri: dalle bilance conta-pezzi con celle single-point in alluminio, impiegate nell’industria elettronica per conteggiare componenti tramite il peso medio; ai limitori di carico su ascensori e montacarichi, dove piccole celle a compressione sotto la cabina impediscono il sovraccarico; ai sistemi di controllo qualità in produzione dove una cella verifica che la forza di saldatura di due parti rientri in un certo intervallo, e così via. L’universalità delle celle di carico le rende protagoniste silenziose in tantissimi processi industriali.

Le celle di carico – siano esse analogiche o digitali – rappresentano un elemento fondamentale per la pesatura industriale moderna, fornendo ai sistemi automatizzati la “sensibilità” necessaria a misurare forze e pesi con precisione. Abbiamo visto come funzionano grazie agli estensimetri e al ponte di Wheatstone, le differenze tra tecnologie analogiche e digitali e le varie tipologie meccaniche disponibili per adattarsi a ogni tipo di applicazione (compressione, trazione, flessione, taglio, torsione). La scelta del giusto sensore dipende da molti fattori – dal carico da misurare all’ambiente di utilizzo – e incide direttamente sulle prestazioni e affidabilità dell’intero impianto di pesatura.

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