célula de carga - aplicação e princípio de funcionamento -

Felipe Schaeffer Fernandes

CTAI Cursos Online

06/03/2014

Clulas de Carga Princpio de Funcionamento

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Sumrio O que ? ........................................................................................................................................ 2

Aplicaes...................................................................................................................................... 3

Balanas Rodovirias ................................................................................................................. 3

Balanas Ferrovirias ................................................................................................................. 4

Balanas de Uso Geral ............................................................................................................... 5

Medio de nvel ....................................................................................................................... 7

Balanas Dinmicas ................................................................................................................... 9

Corpo metlico ........................................................................................................................ 11

Condutor Eltrico .................................................................................................................... 12

Combinao Mecnica Eletrnica ........................................................................................... 13

Ponte de Wheatstone ............................................................................................................. 13

Extensmetros ........................................................................................................................ 15

Indicador Digital ...................................................................................................................... 16

Especificao de Clulas de carga ............................................................................................... 17

Caractersticas ......................................................................................................................... 17

Cabos de compensao (Sense) das Clulas de Carga ................................................................ 18

Cuidados e conservao .............................................................................................................. 19

Deslocamento ......................................................................................................................... 19

Sobrecarga............................................................................................................................... 20

Erros de Medio ........................................................................................................................ 21

Temperatura ........................................................................................................................... 21

Histerese.................................................................................................................................. 21

Repetibilidade ......................................................................................................................... 21

Fluncia ou Creep .................................................................................................................... 21

Concluso .................................................................................................................................... 22


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O que ?

A Clula de Carga um transdutor que utilizado para converter uma presso fsica em sinais

eltricos.

Uma clula de carga composta por basicamente trs componentes: Corpo, Extensmetro e

ponte de Wheatstone.

O Corpo metlico e funciona como receptor da presso exercida, elas so encontradas em

diversos dispositivos de medio. O corpo da clula feito normalmente de ao carbono ou

inox. O formato do corpo possibilita que quando o mesmo se deforme, gere um sinal eltrico

atravs de um extensmetro, que est posicionado sobre o corpo.

O Extensmetro um medidor de tenso que envia um sinal eltrico. Ele capaz de medir

deformaes de corpos. Quando um material deformado sua resistncia elctrica alterada,

a mudana na resistncia proporcional mudana no comprimento do material. O tipo mais

comum de medidor de tenso, formado de uma fina camada flexvel isolante formando um

padro de folha metlica. Ligado ao corpo, medida que o objeto deformado (corpo) a folha

tambm deformada, mudando a resistncia eltrica do extensmetro. Normalmente uma

clula de carga contm quatro extensmetros em uma ponte chamado Wheatstone.

A Ponte de Wheatstone formada geralmente por quatro extensmetros. A ponte de

Wheatstone um esquema de montagem de elementos eltricos que permite a medio do

valor de uma resistncia eltrica desconhecida. Foi desenvolvido por Samuel Hunter Christie

em 1833, porm foi Charles Wheatstone quem ficou famoso com a montagem, tendo-o

descrito dez anos mais tarde. O circuito composto por uma fonte de tenso, um Voltmetro e

uma rede de quatro resistores (ou extensmetros).


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Aplicaes

Balanas Rodovirias

Utilizadas para medio de peso dos caminhes transitando nas rodovias.

Medio do peso bruto de um caminho na rodovia(Plataforma de Pesagem)

Clulas de carga utilizadas na linha Rodoviria


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Balanas Ferrovirias

Utilizadas para medio de peso bruto de vages carregados com materiais.

Plataforma de Pesagem de vago com clulas em ponte

Plataforma de Pesagem de vago com clulas fixas (Mede deformao do trilho)

Plataforma de Pesagem de vago com clulas fixas (Mede presso no trilho)


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Balanas de Uso Geral

Utilizado para medio de pequenas massas e grande preciso. Muito comum em

restaurantes, supermercados e farmcias. Necessidade de balana com rpida resposta de

medio.

Utilizada em supermercados para pesagem de carregamentos de materiais

Utilizada no comrcio para pesagem de pequenas poes


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Utilizada no comrcio para pesagem de pequenas poes

Utilizada no comrcio para pesagem de alimentos

Utilizada no comrcio para pesagem de Recm Nascidos


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Medio de nvel

Em silos de armazenamento de material. O Nvel uma varivel secundria calculada atravs

da medio do peso lquido do material. Sistema de pesagem muito utilizado na rea

industrial.

Suporte de adaptao clula de carga


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Clulas de Carga com suporte para medir peso de silos de materiais

Clulas de Carga com suporte para medir peso de silos de materiais


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Balanas Dinmicas

Em medies de fluxo de material. Balanas que medem Vazo atravs da combinao da

Medio do Peso e da Medio da Velocidade. Esse tipo de balana geralmente chamado de

Balana de Fluxo ou Balana integradora.

Exemplo de uma plataforma de pesagem

Clulas de carga esto fixadas internamente ponte(Parte azul)


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Clulas de Carga fixadas na ponte de pesagem

Clulas de Carga fixadas internamente na ponte de pesagem


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Princpio de Funcionamento

Corpo metlico Aproveita-se a caracterstica de deformao de um corpo metlico quando submetido

presso.

Dimensiona-se o corpo que ir receber a presso para que deforme dentro da faixa elstica.

Deformao elstica volta forma original;

Deformao plstica no volta forma original;

Presso

Sem deformao Com deformao


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Condutor Eltrico Aproveita-se a caracterstica de um condutor eltrico que varia sua resistncia de acordo com

suas dimenses.

Aumenta o comprimento aumenta sua resistncia;

Aumenta o dimetro diminui a resistncia;


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Combinao Mecnica/Eletrnica Montagem para o resistor diminuir o valor (Comprimento) quando a fora aumenta.

Montagem para o resistor aumentar o valor (Comprimento) quando a fora aumenta.

Montagem conjunta para obtermos 2 resistores que aumentem o valor e 2 que diminuam o

valor quando a fora aumentar.

Ponte de Wheatstone A clula de carga resistiva trabalha baseada na ponte de Wheatstone e na segunda Lei de

Ohm.

Comprimento diminuiu Comprimento aumentou

L L

Comprimento diminuiu Comprimento aumentou

L L

L

L

Com

prim

ento

Dim

inuiu


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A configurao abaixo nos mostra uma ponte de Wheatstone e a condio de equilbrio desta

ponte se d quando temos o mesmo potencial nos pontos A e B.

Para conseguirmos este equilbrio precisamos satisfazer a seguinte condio

Nesta condio (Figura acima), no teremos corrente circulando de A para B, nem de B para A.

Na condio (Figura abaixo), se variarmos o valor da resistncia R2, estaremos desequilibrando

a ponte. Quanto maior a variao, maior ser a corrente circulante.

4*23*1 RRRR


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Extensmetros Poderamos desiquilibrar a ponte colocando uma resistncia varivel. Desta forma, quanto

maior for a variao de R2, maior ser a variao entre os produtos conforme figura abaixo.

Veja como ficaria uma Ponte de Wheatstone (figura abaixo) com extensmetros no lugar de

resistores fixos.

Na figura abaixo temos uma ilustrao de um tpico extensmetro.


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Veja abaixo a montagem de uma Ponte de Wheatstone para obter uma tenso que varie

proporcionalmente fora aplicada

Indicador Digital Um indicador digital pode ser conectado a uma Clula de carga. O Indicador ir fornecer

alimentao (volts) para a clula e receber a variao de tenso (milivolts). Com a variao de

tenso conhecida em relao capacidade da Clula de Carga, realizada uma converso nas

faixas de indicao e configurado para apresentar o valor na unidade de medida desejada (Kg).

Com fora aplicada Sem fora aplicada

Sem variao da Tenso Com variao da Tenso

Com peso Sem Peso


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Especificao de Clulas de carga

Caractersticas Algumas caractersticas devem ser levadas em conta para especificar uma clula de carga. Veja

abaixo todos os dados de uma clula de carga fornecida pelo fabricante de balanas Schenck.

1. Fabricante: Schenck

2. Modelo: PWS

3. Capacidade: 100 Kg

4. Alimentao: 10 Volts

5. Resistncia de entrada: 350 ohms

6. Resistncia de sada: 350ohms

7. Sensibilidade 2 mV/V

Veja a funo de cada condutor do cabo da Clula de Carga:

Como calcular sinal de sada em relao capacidade de uma Clula de Carga?

Para uma massa aplicada de 50Kg Clula de Carga com as especificaes dadas acima, temos:


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Cabos de compensao (Sense) das Clulas de Carga

Dependendo da aplicao necessrio realizar uma compensao da resistncia dos cabos de

alimentao devido distncia entre a instalao da Clula de Carga e o Indicador Digital. Para

isso so utilizados dois cabos em cada ponto de alimentao da Clula. Desta forma o

Indicador Digital pode calcular a perda (diferena) de tenso fornecida e recebida.

Isso necessrio, pois uma diferena muito alta de tenso que chega Clula de Carga pode

provocar erros de medio.

Veja o exemplo abaixo:

1. Capacidade Clula de Carga: 20 Kg

2. Sensibilidade: 2 mV/V

3. Alimentao: 10 Volts

Retorno da Alimentao: 8volts

Diferena: 2Volts

O sinal(mv) da Clula de carga alimentada em 10Volts com uma massa de 20Kg dever gerar

um sinal de 20mV;

O sinal(mv) da Clula de carga alimentada em 8Volts com uma massa de 20Kg dever gerar um

sinal de 16mV;

Com este recurso, se houver realmente esta diferena de tenso(Enviada-Recebida) o

Indicador sabe que valor do sinal de 16mV, no correspondente 16Kg e sim a 20Kg pois foi

realizado uma compensao no mdulo Indicador Digital.

Influncia distncia


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Cuidados e conservao So muitos os fabricantes e modelos de Clulas de Carga, porm, alguns requisitos so os

mesmos para estes elementos de pesagem.

Deslocamento Temos abaixo uma tabela que indica vrias caractersticas de um modelo especfico de Clula e

Carga. A coluna circulada em vermelho (Full range travel) mostra o curso mximo de

deslocamento aceito pela Clula de Carga em relao sua Capacidade sem haver deformao

plstica.

Veja que a Clula de Carga com maior capacidade (#700 Kg) possui um deslocamento mximo

de 0,50mm. Isso imperceptvel ao olho humano, porm, o suficiente para haver uma

variao grande de sinal (mV) e identificar pequenas variaes de presso aplicada.


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Sobrecarga Na figura abaixo podemos identificar os limites de CARGA e RUPTURA em Kg para cada

Clula de Carga de acordo com sua capacidade.

Podemos observar nesta tabela as limitaes de aplicao para esta Clula de Carga. A correta

aplicao, tempo de vida til e preciso da medio depende da observao destes fatores

bsicos.

Deformao

Elstica

Deformao

Plstica


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Erros de Medio

Temperatura Considerando-se que a temperatura gera deformaes em corpos slidos e que estas

poderiam ser confundidas com a deformao provocada pela ao da fora a ser medida, h

necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura atravs da introduo de

resistncias especiais no circuito da Ponte de Wheatstone que variem com o calor de forma

inversa a dos extensmetros.

Histerese Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a

escolha conveniente da liga da matria-prima da Clula de Carga o da "histerese" decorrente

de trocas trmicas com o ambiente da energia elstica gerada pela deformao, o que acarreta

que as medies de cargas sucessivas no coincidam com as descargas respectivas.

Repetibilidade Outro efeito que tambm deve ser controlado a "repetibilidade", ou seja, indicao da

mesma deformao decorrente da aplicao da mesma carga sucessivamente. Tambm pode

e deve ser verificada e controlada atravs do uso de materiais isotrpicos e da correta

aplicao da fora sobre a clula de carga.

Fluncia ou Creep Finalmente, deve-se considerar o fenmeno da "fluncia" ou creep, que consiste na variao

da deformao ao longo do tempo aps a aplicao da carga. Este efeito decorre de

escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como

variaes aparentes na intensidade da fora sem que haja incrementos na mesma.

Grfico de deformao x carga, mostrando

histerese, repetibilidade e no linearidade.

Grfico de deformao x tempo mostrando

a fluncia ou creep


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Concluso As clulas de carga so transdutores bastante precisos e de vida til muito longa (so

projetados e testados em prottipo para dez milhes de ciclos de pesagem).

Esta longevidade e preciso podem ser facilmente obtidas desde que sejam convenientemente

especificadas e instaladas.

A assessoria tcnica do fabricante sempre muito til e evita falhas de projeto.

Procurou-se dar aqui algumas informaes fundamentais, que no excluem uma consulta

tcnica.

A Clula de Carga somente 01(um) elemento de um conjunto de pesagem muito utilizado na

rea industrial. Haver outras matrias dando continuidade a este assunto que aumentar

seus conhecimentos nesta rea.

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